DE102022212515A1

DE102022212515A1 - Verfahren, Steuerungsvorrichtung und Computerprogramm zum Überprüfen der Dichtigkeit eines Kathodenausgangsventils eines Brennstoffzellensystems sowie Brennstoffzellensystem

Info

Publication number: DE102022212515A1
Application number: DE102022212515.0A
Authority: DE
Inventors: Hong Zhang
Original assignee: Vitesco Technologies GmbH
Current assignee: Vitesco Technologies GmbH
Priority date: 2022-11-23
Filing date: 2022-11-23
Publication date: 2023-11-30

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren, eine Steuerungsvorrichtung (160) und ein Computerprogramm zum Überprüfen der Dichtigkeit eines Kathodenausgangsventils (147) eines Brennstoffzellensystems (100) sowie ein Brennstoffzellensystem (100). Das erfindungsgemäße Verfahren weist ein Empfangen eines Stopp-Signals, das ein beabsichtigtes Abschalten des Brennstoffzellensystems (100) angibt, ein Senden eines Diagnosesignals, das das Brennstoffzellensystem (100) dazu veranlasst, in einen Diagnosebetriebsmodus zu wechseln, wenn ein Stopp-Signal empfangen worden ist, und ein Empfangen eines Stromsignals des Brennstoffzellensystems (100) während sich das Brennstoffzellensystem (100) im Diagnosebetriebsmodus befindet. Das Stromsignal ist repräsentativ für einen von einer Brennstoffzelle (110) des Brennstoffzellensystems (100) abgegebenen elektrischen Stroms. Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst ferner ein Feststellen eines dichten Kathodenausgangsventils (147), wenn das empfangene Stromsignal einen elektrischen Stromwert angibt, der kleiner ist als ein vorbestimmter Stromschwellenwert, und ein Senden eines Steuersignals, das angibt, dass das Kathodenausgangsventil (147) dicht ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren, eine Steuerungsvorrichtung und ein Computerprogramm zum Überprüfen der Dichtigkeit eines Kathodenausgangsventils eines Brennstoffzellensystems sowie ein Brennstoffzellensystem.
Brennstoffzellensysteme werden üblicherweise mit einem im Wesentlichen aus Wasserstoff bestehenden Gasgemisch betankt. Hierzu ist es wünschenswert, dass das getankte Gasgemisch eine Wasserstoffkonzentration aufweist, die größer ist als 99 %. Diese hohe Wasserstoffkonzentration im Gasgemisch kann eine frühzeitige Alterung sowie Effizienzverluste der Brennstoffzelle vermeiden. Aus dem Stand der Technik sind Wasserstoffsensoren bekannt, die auf dem Wärmeleitfähigkeitsmessprinzip basieren. Dabei wird die Wärmeleitfähigkeit des gesamten Gasgemischs ermittelt, woraus sich die Konzentration des Wasserstoffs im Gasgemisch ableiten lässt, da die Wärmeleitfähigkeit von Wasserstoff signifikant größer ist als die Wärmeleitfähigkeit von vielen anderen Gaskomponenten im Gasgemisch.
Bei Brennstoffzellensystemen ist es wünschenswert, das im Kathodenleitungssystem, das dazu ausgebildet ist, der Kathode der Brennstoffzelle ein Sauerstoff aufweisendes Gasgemisch, insbesondere Luft, zuzuführen, angeordnete Kathodenausgangsventil auf dessen ordnungsgemäße Funktionsfähigkeit, insbesondere im Hinblick auf die Dichtigkeit im geschlossenen Zustand, zu überprüfen. Eine Undichtigkeit des Kathodenausgangsventils kann zu einer Degradierung der Anode und/oder Kathode führen..
Aus dem Stand der Technik sind beispielsweise die US 7 943 262 B2 , CN 111 092 246 A , KR 101 795 176 B1 , US 2022/0123335 A1 und US 10 892 502 B2 bekannt.
Der vorliegenden Erfindung liegt im Wesentlichen die Aufgabe zu Grunde, eine ordnungsgemäße Funktionstüchtigkeit, insbesondere im Hinblick auf die Dichtigkeit, eines in einem Kathodenleitungssystem eines Brennstoffzellensystems angeordneten Kathodenausgangsventils zu überprüfen bzw. festzustellen.
Diese Aufgabe wird mit einem Verfahren gemäß unabhängigen Anspruch 1, einer Steuerungsvorrichtung gemäß Anspruch 5, Brennstoffzellensystem gemäß Anspruch 7, einem Computerprogram gemäß Anspruch 8 und einem Computerprogrammprodukt gemäß Anspruch 9 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
Der vorliegenden Erfindung liegt im Wesentlichen der Gedanke zugrunde, die Dichtigkeit eines in einer Kathodenableitung eines Kathodenleitungssystems eines Brennstoffzellensystems angeordneten Kathodenausgangsventils dadurch zu überprüfen, dass bei einem beabsichtigten Stoppen bzw. Abschalten des Brennstoffzellensystems das Brennstoffzellensystem vor dem Stoppen bzw. Abschalten in einen Diagnosebetriebsmodus wechselt. Während dem Diagnosebetriebsmodus des Brennstoffzellensystems kann die Zufuhr von Wasserstoff aufweisendem Gasgemisch an die Anode weiterhin gewährleistet werden, wohingegen die Zufuhr von Sauerstoff aufweisendem Gasgemisch an die Kathode durch Schließen des Kathodenausgangsventils, durch Schließen eines in der Kathodenableitung stromabwärts des Kathodenausgangsventils angeordneten Drosselventils und Öffnen eines Kathodenbypassventils, das eine Kathodenzuleitung mit der Kathodenableitung fluidverbindet, weitestgehend unterbunden wird. Wird daraufhin während des Diagnosebetriebsmodus des Brennstoffzellensystems ermittelt, dass die Brennstoffzelle des Brennstoffzellensystems weiterhin einen elektrischen Strom abgibt, der einen vorbestimmten Stromschwellenwert überschreitet, kann das Kathodenausgangsventil als undicht diagnostiziert werden. Wenn jedoch während des Diagnosebetriebsmodus ermittelt wird, dass der von der Brennstoffzelle des Brennstoffzellensystems abgegebene elektrische Strom unterhalb des vorbestimmten Stromschwellenwerts liegt, kann das Kathodenausgangsventil als ausreichend dicht diagnostiziert werden.
Folglich ist gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zum Überprüfen der Dichtigkeit eines Kathodenausgangsventils offenbart, das in einer Kathodenableitung eines Kathodenleitungssystems eines Brennstoffzellensystems angeordnet und dazu ausgebildet ist, die Kathodenableitung freizugeben oder zu versperren. Die Kathodenableitung ist dabei dazu ausgebildet, das einer Kathode des Brennstoffzellensystems zugeführte, Sauerstoff enthaltende Gasgemisch, insbesondere Luft, abzuleiten. Das erfindungsgemäße Verfahren weist ein Empfangen eines Stopp-Signals, das ein beabsichtigtes Abschalten des Brennstoffzellensystems angibt, ein Senden eines Diagnosesignals, das das Brennstoffzellensystem dazu veranlasst, in einen Diagnosebetriebsmodus zu wechseln, wenn ein Stopp-Signal empfangen worden ist, und ein Empfangen eines Stromsignals des Brennstoffzellensystems, während sich das Brennstoffzellensystem im Diagnosebetriebsmodus befindet, auf. Das Stromsignal ist dabei repräsentativ für einen von einer Brennstoffzelle des Brennstoffzellensystems abgegebenen elektrischen Stroms. Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst ferner ein Feststellen eines ausreichend dichten Kathodenausgangsventils, wenn das empfangene Stromsignal einen elektrischen Stromwert angibt, der kleiner ist als ein vorbestimmter Stromschwellenwert, und ein Senden eines Steuersignals, das angibt, dass das Kathodenausgangsventil ausreichend dicht ist.
Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens kann folglich während des Diagnosebetriebsmodus des Brennstoffzellensystems durch Überprüfen bzw. Überwachen des von dem Brennstoffzellensystem abgegebenen Stroms eine Überprüfung der Dichtigkeit des Kathodenausgangsventils erfolgen. Damit kann das erfindungsgemäße Verfahren eine einfache und effektive Dichtigkeitsprüfung und ordnungsgemäße Funktionalitätsüberwachung des Kathodenausgangsventils bereitstellen.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens weist das Senden des Diagnosesignals ferner ein Senden eines Drosselventil-Schließsignals, das ein Schließen einer in der Kathodenableitung stromabwärts einer Mündungsstelle einer Kathodenbypassleitung in die Kathodenableitung angeordneten Drosselventils bewirkt, ein Senden eines Kathodenausgangsventils-Schließsignals, das ein Schließen des Kathodeneingangsventils bewirkt, und ein Senden eines Bypassventil-Öffnungssignals auf, das ein Öffnen eines in einer Kathodenbypassleitung angeordneten Kathodenbypassventils bewirkt. Die Kathodenbypassleitung verbindet eine Kathodenzuleitung, die dazu ausgebildet ist, der Kathode ein Wasserstoff aufweisendes Gasgemisch zuzuführen, mit der Kathodenableitung.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung umfasst das erfindungsgemäße Verfahren ferner ein Empfangen eines Gasdrucksignals von einem in der Kathodenableitung stromabwärts des Kathodenausgangsventils und stromaufwärts der Mündungsstelle der Kathodenbypassleitung in die Kathodenableitung angeordneten (Gas)Drucksensors. Das Gasdrucksensorsignal ist dabei repräsentativ für den Gasdruck in der Kathodenableitung oder für den Differenzdruck zwischen dem Druck in der Atmosphäre und dem Gasdruck in der Kathodenableitung. Dabei erfolgt der Schritt des Feststellens, ob das Kathodenausgangsventil ausreichend dicht ist, dann, wenn das empfangene Gasdrucksignal einen Gasdruckwert angibt, der einen vorbestimmten Gasdruckschwellenwert überschreitet. Dadurch kann überwacht und sichergestellt werden, dass das Sauerstoff aufweisende Gasgemisch innerhalb der Kathodenableitung einen Gasdruck aufweist, der es dem Gasgemisch bei geöffnetem Kathodenausgangsventil ermöglichen würde, in die Kathodenleitung und somit zur Kathode zu gelangen. Folglich kann der Drucksensor dazu ausgebildet sein, den Gasdruck stromaufwärts des Kathodenausgangsventils zu erfassen, der dann vorzugsweise einen Druckwert angibt, der den vorbestimmten Druckschwellenwert unterschreitet (Unterdruck stromaufwärts des Kathodenausgangsventils führt zu Sog), oder den Gasdruck stromabwärts des Kathodenausgangsventils zu erfassen, der dann vorzugsweise einen Druckwert angibt, der den vorbestimmten Druckschwellenwert überschreitet (Überdruck stromaufwärts des Kathodeneingangsventils).
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens umfasst das Senden des Diagnosesignals ferner ein Senden eines Deaktivierungssignals, das ein Deaktivieren eines in einer Kathodenzuleitung angeordneten Kompressors bewirkt, und ein Senden eines Zuführsignals, das ein Zuführen eines Wasserstoffs aufweisenden Gasgemischs an eine Anode des Brennstoffzellensystems bewirkt.
Mittels einer solchen vorteilhaften Ausgestaltung kann bewerkstelligt werden, dass das Anodenleitungssystem weiterhin derart aktiviert ist, dass der Anode ein Wasserstoff aufweisendes Gasgemisch zugeführt wird, wohingegen das Kathodenleitungssystem derart deaktiviert ist, dass der Kathode ein Sauerstoff aufweisendes Gasgemisch nicht länger zugeführt wird.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung umfasst das erfindungsgemäße Verfahren ferner ein Senden eines Warnsignals an eine Bedienerschnittstelle zum Anzeigen einer Warnung an einem Bediener des Brennstoffzellensystems, wenn festgestellt wurde, dass das empfangene Stromsignal einen elektrischen Stromwert angibt, der größer ist als der vorbestimmte Stromschwellenwert. Das Warnsignal gibt dabei an, dass das Kathodenausgangsventil zumindest teilweise undicht ist.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine Steuerungsvorrichtung offenbart, die dazu ausgebildet ist, die Schritte des Verfahrens einem der vorhergehenden Ansprüche auszuführen.
Vorzugsweise umfasst die erfindungsgemäße Steuerungsvorrichtung einen ersten Steuerungsvorrichtungsabschnitt zum Ausführen des Schrittes des Empfangens eines Stopp-Signals und zum Ausführen des Schrittes des Empfangens eines Stromsignals, einen zweiten Steuerungsvorrichtungsabschnitt zum Ausführen des Schrittes des Sendens eines Diagnosesignals und zum Ausführen des Schrittes des Sendens eines Steuersignal, und einen dritten Steuerungsvorrichtungsabschnitt zum Ausführen des Schrittes des Feststellens eines dichten Kathodenausgangsventils.
Gemäß einem noch weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Brennstoffzellensystem offenbart, das ein Anodenleitungssystem, das dazu ausgebildet ist, einer Anode ein Wasserstoff aufweisendes Gasgemisch zuzuführen, ein Kathodenleitungssystem mit einer Kathodenableitung, die dazu ausgebildet ist, das einer Kathode des Brennstoffzellensystems zugeführte, Sauerstoff enthaltende Gasgemisch, insbesondere Luft, abzuleiten, ein in der Kathodenableitung angeordnetes Kathodenausgangsventil, das dazu ausgebildet ist, die Kathodenableitung freizugeben oder zu versperren, und eine erfindungsgemäße Steuerungsvorrichtung aufweist.
Gemäß einem noch weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Computerprogramm offenbart, das Befehle umfasst, die, wenn sie von einer Recheneinheit ausgeführt werden, die Recheneinheit veranlassen, ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5 auszuführen.
Gemäß einem noch weiteren Aspekt ist ein computerlesbares Medium offenbart, auf dem das erfindungsgemäße Computerprogramm gespeichert ist.
Weitere Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung werden dem Fachmann durch Ausüben der hierin beschriebenen Lehre und Betrachten der beiliegenden einzigen Zeichnung ersichtlich, in denen:

1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems für ein Fahrzeug zeigt, und
2 ein beispielhaftes Ablaufdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Feststellen eines dichten Kathodeneingangsventils des Brennstoffzellensystems der 1 zeigt.

Im Rahmen der vorliegenden Offenbarung beschreibt der Begriff „Gasgemisch“ ein Gemisch aus verschiedenen gasförmigen Komponenten, wie beispielsweise Wasserstoff, Stickstoff, Luft und/oder ein Inertgas, z. B. Argon.
Im Rahmen der vorliegenden Offenbarung beschreibt der Begriff „Signal“ Rohdaten, die zur Datenübertragung in eine Form umgewandelt werden, die über das gewählte Transportmedium geschickt werden kann. Dies kann analog oder digital geschehen, wobei die Daten erst abgetastet und in diskrete (häufig binär codierte) Werte umgesetzt werden, die dann als Stromstöße oder unterschiedlich hohe Spannungen über das Medium geschickt werden. Ferner können im Rahmen der vorliegenden Offenbarung die Signale kontinuierlich gesendet bzw. empfangen werden. Beispielsweise erfolgen das Senden und Empfangen von digitalen Signalen im Abstand von wenigen Millisekunden.
Im Rahmen der vorliegenden Offenbarung beschreibt der Begriff „Diagnosebetriebsmodus des Brennstoffzellensystems“ einen Betriebsmodus des Brennstoffzellensystems, in dem die verschiedenen Bauteile und Elemente des Brennstoffzellensystems zur Diagnose des Kathodenausgangsventils unterschiedlich als im normalen Betriebsmodus, der etwaige Spülvorgänge des Anodenleitungssystems umfasst, angesteuert und betrieben werden.
Im Rahmen der vorliegenden Offenbarung beschreibt ein „ausreichend dichtes Ventil“, dass das Ventil in einem geschlossenen Zustand, in dem das Ventil dazu ausgebildet ist, die jeweilige Leitung, in der das Ventil angeordnet ist, derart zu versperren, dass das durch die Leitung strömende Gasgemisch im Wesentlichen nicht durch das Ventil hindurch strömen kann. Jedoch liegt es auch im Rahmen der vorliegenden Offenbarung, dass ein Ventil mit einer Leckage von ungefähr 0,1 Standardmilliliter pro Minute [Sml/min] bei einem Überdruck von ungefähr 600 mbar über dem Umgebungsdruck ebenfalls als „ausreichend dicht“ bezeichnet werden kann.
Die 1 zeigt eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems 100 für ein Fahrzeug. Das Brennstoffzellensystem 100 umfasst eine Brennstoffzelle 110, wie beispielsweise ein Brennstoffzellen-Stack. Die Brennstoffzelle 110 umfasst dabei, wie es aus dem Stand der Technik bekannt ist, eine Anode und eine Kathode, die durch eine Membran voneinander getrennt sind. Beispielsweise kann es sich bei der Brennstoffzelle 110 um eine sogenannte PEM-Brennstoffzelle handeln, bei der die Membran eine Protonenaustauschmembran ist, durch die die an der Anode gebildeten Protonen hindurch zur Kathode gelangen können.
Das Brennstoffzellensystem 100 umfasst ferner einen Tank 120, in dem ein Gasgemisch, vorzugsweise unter Druck, gespeichert ist, das im Wesentlichen aus Wasserstoff besteht. Der Tank 120 kann zudem Ventile (in der 1 nicht explizit dargestellt) aufweisen, mit denen das Ein- und Ausströmen des Gasgemischs in den Tank 120 hinein und aus dem Tank 120 heraus gesteuert werden können.
Das Brennstoffzellensystem 100 der 1 umfasst ferner ein Anodenleitungssystem 130, das dazu ausgebildet ist, das aus dem Tank 120 ausströmende und Wasserstoff aufweisende Gasgemisch der Anode der Brennstoffzelle 110 zuzuführen und das an der Anode vorbeigeströmte Gasgemisch abzuleiten bzw. zurückzuführen. Das Anodenleitungssystem 130 umfasst hierzu eine Anodenzuleitung 132, die mit dem Tank 120 fluidverbunden ist und das aus dem Tank 120 ausströmende Gasgemisch einer Anodenleitung 134 zuführt, die wiederum das Gasgemisch der Anode der Brennstoffzelle 110 zuführt. Das Anodenleitungssystem 130 umfasst ferner eine Anodenableitung 136, die mit der Anodenleitung 134 fluidverbunden ist und das durch die Anodenleitung 134 geströmte Gasgemisch ableiten und einem Abgassystem 150 zuführen kann. Das Anodenleitungssystem 130 umfasst ferner eine Anodenrückführleitung 138, die die Anodenableitung 136 mit der Anodenzuleitung 132 fluidverbindet und in der eine Rückführpumpe 139 angeordnet ist, die dazu ausgebildet ist, das durch die Anodenableitung 136 strömende Gasgemisch wieder der Anodenzuleitung 132 zurückzuführen. Folglich bildet sich zwischen der Anodenzuleitung 132, der Anodenleitung 134, der Anodenableitung 136 und der Anodenrückführleitung 138 ein Kreislauf aus, in dem das Wasserstoff aufweisende Gasgemisch mittels der Rückführpumpe 139 umgewälzt bzw. im Kreis geführt werden kann.
Das Anodenleitungssystem 130 umfasst ferner ein Spülventil 137, das in der Anodenableitung 136 stromabwärts der Mündungsstelle der Anodenrückführleitung 138 angeordnet und dazu ausgebildet ist, die Anodenableitung 136 freizugeben oder zu sperren. In einem normalen Betriebsmodus der Brennstoffzelle 110 ist das Spülventil 137 geschlossen, so dass mittels der Rückführpumpe 139 der soeben beschriebene Kreislauf und Umwälzvorgang des Gasgemischs bereitgestellt werden kann. Das Spülventil 137 kann als Drosselklappenventil oder Solenoid-Ventil ausgestaltet sein.
Ferner ist in der Anodenableitung 136 ein Gassensor 131, wie beispielsweise ein Wasserstoffsensor, vorgesehen, der dazu ausgebildet ist, ein Wasserstoffsignal zu erzeugen, das für die Wasserstoffkonzentration in der Anodenableitung 136 an einer Position zwischen der Anodenleitung 134 und dem Spülventil 137 repräsentativ ist. Der Gassensor 131 kann dabei ein auf dem Wärmeleitfähigkeitsprinzip basierender Gassensor sein. Die Wasserstoffsignale des Wasserstoffsensors 131 sind bevorzugt digitale Signale bzw. Daten, die von einer Datenverarbeitungsvorrichtung, die einen Prozessor und einen Speicher aufweisen kann, verarbeitet werden können. Der Gassensor 131 ist dazu ausgebildet, mehrere (digitale) Wasserstoffsignale dauerhaft und kontinuierlich, beispielsweise in zeitlich vorbestimmten Abständen, wie wenigen Millisekunden, zu senden.
Während des normalen Betriebsmodus des Brennstoffzellensystems 100 bildet sich innerhalb des zuvor beschriebenen Kreislaufs eine steigende Stickstoffkonzentration aus, weshalb die Signale des Gassensors 131 ferner für eine Stickstoffkonzentration innerhalb des Anodenleitungssystems repräsentativ sein können. Insbesondere kann qualitativ ausgesagt werden, dass das sich während des normalen Betriebsmodus des Brennstoffzellensystems 100 im Anodenleitungssystem 130 befindliche Gasgemisch nahezu ausschließlich aus Wasserstoff und Stickstoff besteht, d. h., dass die Summe aus Wasserstoffkonzentration und Stickstoffkonzentration im Anodenleitungssystem 130 insgesamt 100 % ergibt. Folglich kann anhand des Signals des Gassensors 131 sowohl die Wasserstoffkonzentration als auch die Stickstoffkonzentration im Anodenleitungssystem 130 ermittelt werden.
Das Brennstoffzellensystem 100 umfasst ferner ein Kathodenleitungssystem 140 bestehend aus einer Kathodenzuleitung 142, einer mit der Kathode verbundenen Kathodenleitung 144 und einer Kathodenableitung 146. Zudem umfasst das Kathodenleitungssystem 140 eine Kathodenbypassleitung 148, die die Kathodenzuleitung 142 mit der Kathodenableitung 146 fluidverbindet und in dem ein Kathodenbypassventil 149 zum Sperren oder Freigeben der Kathodenbypassleitung 148 angeordnet ist. Das Kathodenbypassventil 149 kann beispielsweise ein Drosselklappenventil sein. Die Kathodenableitung 146 kann das über die Kathodenzuleitung 142 der Kathode zugeführte Gasgemisch, das Sauerstoff aufweist, in das Abgassystem 150 ableiten.
In der Kathodenzuleitung 142 sind ein Drucksensor 141 zum Erfassen des (Gas)drucks in der Kathodenzuleitung 142 und ein stromabwärts des Drucksensors 141 vorgesehenes Kathodeneingangsventil 145 angeordnet, das beispielsweise ein Drosselklappenventil sein kann. Der Drucksensor 141 kann ein Differenzdrucksensor sein, der dazu ausgebildet ist, den Differenzdruck zwischen der Atmosphäre und dem in der Anodenzuleitung 142 vorherrschenden (Gas)Druck zu erfassen. Zudem ist der Drucksensor 141 dazu ausgebildet, mehrere (digitale) Drucksensorsignale dauerhaft und kontinuierlich, beispielsweise in zeitlich vorbestimmten Abständen, wie wenigen Millisekunden, zu senden. Das Kathodeneingangsventil 145 ist dazu ausgebildet, die Kathodenzuleitung 142 derart freizugeben oder zu versperren, dass das Sauerstoff aufweisende Gasgemisch der Kathode zugeführt oder nicht.
In ähnlicher Weise weist die Kathodenableitung 146 ein Kathodenausgangsventil 147, das ebenfalls beispielsweise als Drosselklappenventil ausgestaltet sein kann, und einen stromabwärts davon in der Kathodenableitung 146 angeordneten (Gas)Drucksensor 143 zum Erfassen des Drucks in der Kathodenableitung 146 stromabwärts des Kathodenausgangsventils 147 auf. Auch der Drucksensor 143 kann ein Differenzdrucksensor sein, der dazu ausgebildet ist, den Differenzdruck zwischen der Atmosphäre und dem in der Anodenableitung 146 vorherrschenden (Gas)Druck zu erfassen. Zudem ist auch der Drucksensor 143 ist dazu ausgebildet, mehrere (digitale) Drucksensorsignale dauerhaft und kontinuierlich, beispielsweise in zeitlich vorbestimmten Abständen, wie wenigen Millisekunden, zu senden
Ferner ist in der Kathodenzuleitung 142 stromaufwärts des Drucksensors 141 ein Kompressor 170 zum Verdichten des der Anode zugeführten und Sauerstoff aufweisenden Gasgemischs angeordnet. In der Kathodenableitung 146 sind zudem ein Wasserabscheider 172 und ein Drosselventil 174 angeordnet, das dazu ausgebildet ist, die Kathodenableitung 146 freizugeben oder zu sperren. Das Drosselventil 174 kann beispielsweise als Drosselklappenventil ausgestaltet sein.
Das Brennstoffzellensystem 100 der 1 weist ferner einen Bordnetzzweig 102 auf, der elektrische Verbraucher umfasst. Insbesondere beschreibt der Bordnetzzweig 102 zumindest einen Teil eines elektrischen Systems, das die von der Brennstoffzelle 110 abgegebene elektrische Energie, insbesondere elektrischen Strom, speichern und verteilen kann. Zum Erfassen und Überwachen des von der Brennstoffzelle 110 abgegebenen elektrischen Stroms kann ein Stromsensor 104 bereitgestellt sein. Der Stromsensor 104 ist dazu ausgebildet, den von der Brennstoffzelle 110 abgegebenen elektrischen Strom zu erfassen. Der Stromsensor 104 ist dazu ausgebildet, mehrere (digitale) Stromsignale dauerhaft und kontinuierlich, beispielsweise in zeitlich vorbestimmten Abständen, wie wenigen Millisekunden, zu senden.
Alternativ oder zusätzlich kann die von der Brennstoffzelle 110 abgegebene elektrische Spannung für die Diagnose herangezogen werden, wenn der elektrische Schaltkreis geöffnet ist. Wenn die erfasste elektrische Spannung während des Diagnosebetriebsmodus einen vorbestimmten Spannungsschwellenwert, beispielsweise 0 V, überschreitet, kann das Kathodenausgangsventil als undicht diagnostiziert werden.
Wie bereits beschrieben münden sowohl das Anodenleitungssystem 130 als auch das Kathodenleitungssystem 140 in ein Abgassystem 150, in dem ein Wasserstoffsensor 151 angeordnet ist, der dazu ausgebildet ist, ein Wasserstoffsignal zu erzeugen, das die Wasserstoffkonzentration in dem im Abgassystem 150 vorhandenen Gasgemisch (insbesondere Abgas) angibt. Der Wasserstoffsensor 151 kann dabei ein auf dem Wärmeleitfähigkeitsprinzip basierender Gassensor sein.
Aus der 1 ist ferner ersichtlich, dass eine Steuerungsvorrichtung 160 vorgesehen ist, die mit sämtlichen Bauelementen des Brennstoffzellensystems 100 verbunden sein kann. Obwohl hierfür keine separaten Leitungen in der 1 eingezeichnet sind, können solche elektrischen Verbindungsleitungen in Form von Verbindungsleitungen bzw. -drähten oder drahtlosen Kommunikationseinrichtungen vorhanden sein. Die Steuerungsvorrichtung 160 kann mehrere Steuerungsvorrichtungsabschnitte aufweisen, wie beispielsweise einen ersten Steuerungsvorrichtungsabschnitt 162, einen zweiten Steuerungsvorrichtungsabschnitt 164 und einen dritten Steuerungsvorrichtungsabschnitt 166, auf die mit Bezug auf die 2 weiter unten näher eingegangen wird.
Die Steuerungsvorrichtung 160 kann einen Prozessor bzw. eine Recheneinheit und einen Speicher aufweisen. Alternativ kann die Steuerungsvorrichtung 160 der Prozessor bzw. die Recheneinheit sein, die mit dem Speicher verbunden ist. Der Prozessor kann eine zentrale Verarbeitungseinheit (Central Processing Unit, CPU) sein. Der Prozessor kann ferner ein weiterer Allzweckprozessor, ein digitaler Signalprozessor (Digital Signal Processor, DSP), eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung (Application Specific Integrated Circuit, ASIC), ein feldprogrammierbares Gate-Array (Field-Programmable Gate Array, FPGA) sein, oder ein anderes programmierbares Logikgerät, ein diskretes Gatter- oder Transistorlogikgerät, eine diskrete Hardwarekomponente oder dergleichen. Der Allzweckprozessor kann ein Mikroprozessor sein, oder der Prozessor kann ein beliebiger herkömmlicher Prozessor oder dergleichen sein.
Der Speicher umfasst, ist aber nicht darauf beschränkt, einen Random Access Memory (RAM), einen Read-Only Memory (ROM), einen löschbaren programmierbaren Read-Only Memory (EPROM) oder einen portablen Read-Only Memory (z.B. CD-ROM). Der Speicher ist konfiguriert, um zugehörige Programmanweisungen und zugehörige Daten zu speichern.
Im Folgenden wird unter zusätzlicher Bezugnahme auf das in der 2 gezeigte Ablaufdiagramm eine beispielhafte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Überprüfen der Dichtigkeit des Kathodenausgangsventils 147 des Brennstoffzellensystems 100 der 1 beschrieben.
Das Verfahren der 2 startet beim Schritt 200 und gelangt dann zum Schritt 210, an dem überprüft wird, ob ein Stopp-Signal empfangen worden ist. Ein Stopp-Signal gibt dabei den von einem Bediener des Brennstoffzellensystems 100 beabsichtigten Wunsch zum Abschalten bzw. Stoppen des Brennstoffzellensystems 100 an. Insbesondere gibt das Stopp-Signal an, wenn ein Bediener das Brennstoffzellensystems 100 deaktivieren bzw. abschalten möchte. Das Verfahren der 2 verbleibt so lange beim Schritt 210, bis ein Stopp-Signal empfangen wird. Folglich wird das Brennstoffzellensystem 100 solange im normalen Betriebsmodus, während dem auch regelmäßige Spülvorgänge des Anodenleitungssystems 130 stattfinden, betrieben, bis ein Stopp-Signal empfangen wird. Die Steuerungsvorrichtung 100, insbesondere der erste Steuerungsvorrichtungsabschnitt 162, ist dazu ausgebildet, das Stopp-Signal empfangen.
Wird beim Schritt 210 ein Stopp-Signal empfangen, gelangt das Verfahren zum Schritt 220, an dem das Brennstoffzellensystem 100 aus dem normalen Betriebsmodus in einen Diagnosebetriebsmodus geschaltet wird. Das heißt, dass nach dem Empfangen eines Stopp-Befehls erfindungsgemäß das Brennstoffzellensystem 100 nicht abgeschaltet bzw. gestoppt wird, sondern zunächst ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Überprüfen der Dichtigkeit des Kathodenausgangsventils 147 des Brennstoffzellensystems 100 durchgeführt wird.
Beim Schritt 220 wird ein Diagnosesignal gesendet, das das Brennstoffzellensystem 100 dazu veranlasst, in einen Diagnosebetriebsmodus zu wechseln. Dazu kann beim Schritt 220 ein Senden eines Drosselventil-Schließsignals, das ein Schließen des Drosselventils 174 bewirkt, ein Senden eines Kathodenausgangsventil-Schließsignals, das ein Schließen des Kathodenausgangsventils bewirkt, und ein Senden eines Bypassventil-Öffnungssignals erfolgen, das ein Öffnen des Kathodenbypassventils 149 bewirkt. Das Senden dieser Signale kann von der Steuerungsvorrichtung 160, insbesondere des zweiten Steuerungsvorrichtungsabschnitt 164, ausgeführt werden.
Bei einem darauffolgenden Schritt 230 wird von der Steuerungsvorrichtung 160, insbesondere des ersten Steuerungsvorrichtungsabschnitts 162 ein Gasdrucksignal von dem in der Kathodenzuleitung 142 angeordneten Gasdrucksensor 141 empfangen.
In einem darauffolgenden Schritt 230 wird mittels der Steuerungsvorrichtung 160, insbesondere des ersten Steuerungsvorrichtungsabschnitts 162, ein Stromsignal empfangen, das repräsentativ ist für einen von der Brennstoffzelle abgegebenen elektrischen Stroms. Beispielsweise kann der erste Steuerungsvorrichtungsabschnitt 162 ein Stromsignal vom Stromsensor 104 empfangen. Alternativ kann beim Schritt 230 ein Spannungssignal empfangen werden, das repräsentativ ist für eine von der Brennstoffzelle 110 erzeugte elektrische Spannung.
Bei einem darauffolgenden Schritt 240 wird das beim Schritt 230 empfangene Stromsignal (Spannungssignal) mit einem vorbestimmten Stromschwellenwert (Spannungsschwellenwert) verglichen. Insbesondere wird der Verlauf des Stromsignals während des Diagnosebetriebsmodus überwacht und das Minimum des Stromsignals als Vergleichssignal herangezogen.
Wird beim Schritt 240 ermittelt, dass das beim Schritt 230 empfangene und als Minimum identifizierte Stromsignal einen Stromwert anzeigt, der kleiner ist als der vorbestimmte Stromschwellenwert, gelangt das Verfahren zum Schritt 250, an dem mittels der Steuerungsvorrichtung 160, insbesondere mittels des dritten Steuerungsvorrichtungsabschnitts 166, das Kathodenausgangsventil 147 als ausreichend dicht diagnostiziert werden kann. Der vorbestimmte Stromschwellenwert kann beispielsweise ungefähr 0,1 A bei einem Überdruck (bezogen auf die Atmosphäre) von ungefähr 100 mbar in der Kathodenableitung 146 stromabwärts des Kathodenausgangsventils 147 betragen.
Wird jedoch beim Schritt 240 mittels der Steuerungsvorrichtung 160 festgestellt, dass das beim Schritt 230 empfangene und als Minimum identifizierte Stromsignal einen Stromwert anzeigt, der den vorbestimmten Stromschwellenwert nicht unterschreitet, d. h. überschreitet, gelangt das Verfahren zum Schritt 260, an dem mittels der Steuerungsvorrichtung 160, insbesondere mittels des dritten Steuerungsvorrichtungsabschnitts 166, das Kathodenausgangsventil 147 als undicht bzw. fehlerhaft diagnostiziert wird.
Beim Schritt 240 kann es vorteilhaft, dass die Steuerungsvorrichtung 160, insbesondere der erste Steuerungsvorrichtungsabschnitt 162, ein Gasdrucksignal vom Drucksensor 143 erhält. Dabei erfolgt das Feststellen, ob das Kathodenausgangsventils 147 ausreichend dicht ist, dann, wenn das empfangene Gasdrucksignal einen Gasdruckwert angibt, der einen vorbestimmten Gasdruckschwellenwert, wie beispielsweise 100 mbar Überdruck, überschreitet. Wenn das beim Schritt 230 empfangende Stromsignal einen den vorbestimmten Stromschwellenwert angibt (siehe Schritt 240) und gleichzeitig das Drucksignal einen derart ansteigenden Druckwert angibt, der den vorbestimmten Druckschwellenwert überschreitet, kann beim Schritt 260 das Kathodenausgangsventil 147 als nicht ausreichend dicht bzw. fehlerhaft diagnostiziert werden. Wenn aber das empfangene Gasdrucksignal einen Gasdruckwert angibt, der den vorbestimmten Gasdruckschwellenwert, wie beispielsweise 100 mbar Überdruck, nicht überschreitet, wird das Verfahren beendet, da nicht länger gewährleistet werden kann, dass das im Kathodenleitungssystem 140 vorhandene und Sauerstoff aufweisende Gasgemisch bei geöffnetem Kathodenausgangsventil 147 in die Kathodenleitung 144 und somit zur Kathode der Brennstoffzelle 110 gelangen würde.
Sowohl nachfolgend dem Schritt 250 als auch dem Schritt 260 gelangt das Verfahren dann zum Schritt 270, an dem mittels der Steuerungsvorrichtung 160, insbesondere mittels des zweiten Steuerungsvorrichtungsabschnitts 164, ein Steuersignal gesendet wird, das angibt, dass das Kathodenausgangsventil 147 ausreichend dicht oder undicht bzw. fehlerhaft ist. Das Verfahren endet daraufhin beim Schritt 280.
Gemäß der gezeigten beispielhaften Ausgestaltung ist der zweite Steuerungsvorrichtungsabschnitt 164 zum Senden von sowohl dem Diagnosesignal als auch des Steuersignals ausgebildet. Alternativ können hierfür aber auch separate Steuerungsvorrichtungsabschnitte vorgesehen sein, von denen ein Steuerungsvorrichtungsabschnitt zum Senden des Diagnosesignals und ein anderer Steuerungsvorrichtungsabschnitt zum Senden des Steuersignals ausgebildet ist. Gleiches kann für den ersten Steuerungsvorrichtungsabschnitt 162 gelten, so dass auch hier zum Empfangen eines Stopp-Signals und zum Empfangen eines Stromsignals jeweils unterschiedliche Steuerungsvorrichtungsabschnitte vorhanden sein können. Sämtliche Steuerungsvorrichtungsabschnitte können dabei ebenso Teil der Steuerungsvorrichtung 160 sein.
Die vorliegende Erfindung macht sich dabei zu Nutze, dass während des Diagnosebetriebs des Brennstoffzellensystems 100 das Kathodenausgangsventil 147 und das Drosselventil 174 verschlossen werden, wobei gleichzeitig das Anodenleitungssystem 130 aktiviert bleibt. In diesem Diagnosebetriebsmodus ist die Zufuhr von Sauerstoff aufweisendem Gasgemisch zur Kathode unterbrochen, wohingegen die Zufuhr von Wasserstoff aufweisendem Gasgemisch an die Anode noch vorhanden ist, so dass bei ordnungsgemäß funktionierendem Kathodenausgangsventil 147 zu erwarten ist, dass der von der Brennstoffzelle 110 abgegebene elektrische Strom gegen Null geht bzw. unter den vorbestimmten Stromschwellenwert fällt. Das begründet sich dadurch, dass der an der Kathode noch vorhandene Sauerstoff aufgebraucht wird, jedoch kein frisches, Sauerstoff aufweisendes Gasgemisch nachgeführt wird.
Zeigt jedoch das Stromsignal des Stromsensors 104 einen Stromwert an, der den vorbestimmten Stromschwellenwert überschreitet, gelangt trotz geschlossenem Kathodenausgangsventil 147 und geschlossenem Kathodenbypassventil 149 weiterhin noch eine gewisse Menge an Sauerstoff aufweisendem Gasgemisch zur Kathode, weshalb die Brennstoffzelle 110 noch weiterhin Strom abgibt. Folglich kann dabei davon ausgegangen werden, dass das Kathodenausgangsventil 147 zumindest teilweise undicht bzw. fehlerhaft ist.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann bei jedem Stopp-Vorgang des Brennstoffzellensystems 100 erfolgen. Alternativ kann das erfindungsgemäße Verfahren in regelmäßigen Abständen erfolgen, beispielsweise bei jedem fünften, zehnten oder zwanzigsten Stopp-Vorgang des Brennstoffzellensystems 100 durchgeführt werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 7943262 B2 [0004]
CN 111092246 A [0004]
KR 101795176 B1 [0004]
US 20220123335 A1 [0004]
US 10892502 B2 [0004]

Claims

Verfahren zum Überprüfen der Dichtigkeit eines Kathodenausgangsventils (147), das in einer Kathodenableitung (146) eines Kathodenleitungssystems (140) eines Brennstoffzellensystems (100) angeordnet und dazu ausgebildet ist, die Kathodenableitung (146) freizugeben oder zu versperren, wobei die Kathodenableitung (146) dazu ausgebildet ist, das einer Kathode des Brennstoffzellensystems (100) zugeführte, Sauerstoff enthaltende Gasgemisch, insbesondere Luft, abzuleiten, wobei das Verfahren aufweist: - Empfangen eines Stopp-Signals, das ein beabsichtigtes Abschalten des Brennstoffzellensystems (100) angibt, - Senden eines Diagnosesignals, das das Brennstoffzellensystem (100) dazu veranlasst, in einen Diagnosebetriebsmodus zu wechseln, wenn ein Stopp-Signal empfangen worden ist, - Empfangen eines Stromsignals des Brennstoffzellensystems (100) während sich das Brennstoffzellensystem (100) im Diagnosebetriebsmodus befindet, wobei das Stromsignal repräsentativ ist für einen von einer Brennstoffzelle (110) des Brennstoffzellensystems (100) abgegebenen elektrischen Stroms, - Feststellen eines dichten Kathodenausgangventils (147), wenn das empfangene Stromsignal einen elektrischen Stromwert angibt, der kleiner ist als ein vorbestimmter Stromschwellenwert, und - Senden eines Steuersignals, das angibt, dass das Kathodenausgangsventil (147) dicht ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Senden des Diagnosesignals aufweist: - Senden eines Drosselventil-Schließsignals, das ein Schließen einer in der Kathodenableitung (146) stromabwärts einer Mündungsstelle einer Kathodenbypassleitung (148) in die Kathodenableitung (146) angeordneten Drosselventils (174) bewirkt, wobei die Kathodenbypassleitung (148) eine Kathodeneingangsleitung (142), die dazu ausgebildet ist, der Kathode ein Wasserstoff aufweisendes Gasgemisch zuzuführen, mit der Kathodenableitung (164) verbindet, - Senden eines Kathodenausgangsventil-Schließsignals, das ein Schließen des Kathodenausgangsventils (147) bewirkt, und - Senden eines Bypassventil-Öffnungssignals, das ein Öffnen eines in einer eine Kathodenzuleitung (142) mit der Kathodenableitung (146) verbindenden Kathodenbypassleitung (148) angeordneten Kathodenbypassventils (149) bewirkt.
Verfahren nach Anspruch 2, ferner mit: - Empfangen eines Gasdrucksignals von einem in der Kathodenableitung (142) stromabwärts des Kathodenausgangsventils (147) und stromaufwärts der Mündungsstelle der Kathodenbypassleitung (148) in die Kathodenableitung (146) angeordneten Drucksensors (143), wobei das Gasdrucksensorsignal repräsentativ ist für den Gasdruck in der Kathodenableitung (142), wobei das Feststellen, ob das Kathodenausgangsventils (147) dicht ist, dann erfolgt, wenn das empfangene Gasdrucksignal einen Gasdruckwert angibt, der einen vorbestimmten Gasdruckschwellenwert überschreitet.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Senden des Diagnosesignals ferner aufweist: - Senden eines Deaktivierungssignals, das ein Deaktivieren eines in einer Kathodenzuleitung (142) angeordneten Kompressors (170) bewirkt, und - Senden eines Zuführsignals, das ein Zuführen eines Wasserstoff aufweisenden Gasgemischs an eine Anode des Brennstoffzellensystems (100) bewirkt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner mit: - Senden eines Warnsignals an eine Bedienerschnittstelle zum Anzeigen einer Warnung an einen Bediener des Brennstoffzellensystems (100), wenn festgestellt wurde, dass das empfangene Stromsignal einen elektrischen Stromwert angibt, der größer ist als der vorbestimmte Stromschwellenwert, wobei das Warnsignal angibt, dass das Kathodenausgangsventil (147) zumindest teilweise undicht ist.
Steuerungsvorrichtung (160), die dazu ausgebildet ist, die Schritte des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche auszuführen.
Steuerungsvorrichtung (160) nach Anspruch 6, aufweisend: - einen ersten Steuerungsvorrichtungsabschnitt (162) zum Ausführen des Schrittes des Empfangens eines Stopp-Signals und zum Ausführen des Schrittes des Empfangens eines Stromsignals, - einen zweiten Steuerungsvorrichtungsabschnitt (164) zum Ausführen des Schrittes des Sendens eines Diagnosesignals und zum Ausführen des Schrittes des Sendens eines Steuersignals, und - einen dritten Steuerungsvorrichtungsabschnitt (166) zum Ausführen des Schrittes des Feststellens eines dichten Kathodenausgangsventils (147).
Brennstoffzellensystem (100), mit: - einem Anodenleitungssystem (130), das dazu ausgebildet ist, einer Anode ein Wasserstoff aufweisendes Gasgemisch zuzuführen, - einem Kathodenleitungssystem (140) mit einer Kathodenableitung (146), die dazu ausgebildet ist, das einer Kathode des Brennstoffzellensystems (100) zugeführte, Sauerstoff enthaltende Gasgemisch, insbesondere Luft, abzuleiten, - einem in der Kathodenableitung (146) angeordnetes Kathodeneingangsventil (147), das dazu ausgebildet ist, die Kathodenableitung (146) freizugeben oder zu versperren, und - einer Steuerungsvorrichtung (160) nach einem der Ansprüche Anspruch 6 und 7.
Computerprogramm, umfassend Befehle, die, wenn sie von einer Recheneinheit ausgeführt werden, die Recheneinheit veranlassen, ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5 auszuführen.
Computerlesbares Medium, auf dem das Computerprogramm nach Anspruch 9 gespeichert ist.