DE102022212517A1

DE102022212517A1 - Verfahren, Steuerungsvorrichtung und Computerprogramm zum Überprüfen der Dichtigkeit eines Kathodeneingangsventils und/oder Kathodenausgangsventils eines Brennstoffzellensystems sowie Brennstoffzellensystem

Info

Publication number: DE102022212517A1
Application number: DE102022212517.7A
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: 2023-11-23

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 Start-Signals, das ein beabsichtigtes Anschalten des Brennstoffzellensystems (100) angibt, ein Senden eines Diagnosesignals, das das Brennstoffzellensystem (100) dazu veranlasst, in einen Diagnosebetriebsmodus zu wechseln, wenn ein Start-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 Kathodeneingangsventils (145) und/oder 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 Kathodeneingangsventil (145) und/oder Kathodenausgangsventil (147) dicht ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren, eine Steuerungsvorrichtung und ein Computerprogramm zum Überprüfen der Dichtigkeit eines Kathodeneingangsventils und/oder 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 Kathodeneingangsventil und/oder Kathodenausgangsventil auf dessen ordnungsgemäße Funktionsfähigkeit, insbesondere im Hinblick auf die Dichtigkeit im geschlossenen Zustand, zu überprüfen. Eine Undichtigkeit des Kathodeneingangsventils und/oder 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, der in einem Kathodenleitungssystem eines Brennstoffzellensystems angeordneten Ventile, insbesondere des Kathodeneingangsventils und Kathodenausgangsventils, zu überprüfen bzw. festzustellen.
Diese Aufgabe wird mit einem Verfahren gemäß unabhängigen Anspruch 1, einer Steuerungsvorrichtung gemäß Anspruch 7, Brennstoffzellensystem gemäß Anspruch 9, einem Computerprogram gemäß Anspruch 10 und einem Computerprogrammprodukt gemäß Anspruch 11 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
Der vorliegenden Erfindung liegt im Wesentlichen der Gedanke zugrunde, die Dichtigkeit eines in einer Kathodenzuleitung eines Kathodenleitungssystems eines Brennstoffzellensystems angeordneten Kathodeneingangsventils und/oder eines in einer Kathodenableitung des Kathodenleitungssystems des Brennstoffzellensystems angeordneten Kathodenausgangsventils dadurch zu überprüfen, dass bei einem beabsichtigten Starten bzw. Anschalten des Brennstoffzellensystems das Brennstoffzellensystem vor dem Starten bzw. Anschalten in einen Diagnosebetriebsmodus wechselt. Während dem Diagnosebetriebsmodus des Brennstoffzellensystems kann die Zufuhr von Wasserstoff aufweisendem Gasgemisch an die Anode bereits zumindest teilweise gewährleistet werden, wohingegen zunächst das noch in der mit der Kathode verbundenen Kathodenleitung des Kathodenleitungssystems, die mittels des Kathodeneingangsventils und Kathodenausgangsventils absperrbar ist, vorhandene und Sauerstoff aufweisende Gasgemisch verbraucht wird, bevor das Kathodeneingangsventil und/oder das Kathodenausgangsventil geschlossen werden. Wenn der noch vom vorherigen Betriebszyklus des Brennstoffzellensystems vorhandene Sauerstoff an der Kathode verbraucht ist, wird das Kathodeneingangsventil und/oder das Kathodenausgangsventil geschlossen und das Anodenleitungssystem in den normalen Betriebsmodus geschalten. Zudem wird das Kathodenleitungssystem bei geschlossenem Kathodeneingangsventil und/oder Kathodenausgangsventil aktiviert. Wird daraufhin während diesem Diagnosebetriebsmodus des Brennstoffzellensystems ermittelt, dass die Brennstoffzelle des Brennstoffzellensystems weiterhin einen elektrischen Strom abgibt, der einen vorbestimmten Stromschwellenwert überschreitet, kann das Kathodeneingangsventil und/oder das Kathodenausgangsventil als undicht bzw. fehlerhaft 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 Kathodeneingangsventil und/oder das Kathodenausgangsventil als ausreichend dicht diagnostiziert werden.
Insbesondere macht sich die vorliegende Erfindung dabei zu Nutze, dass bei einem Abschalten bzw. Stoppen eines Brennstoffzellensystems das Kathodeneingangsventil und anschließend das Kathodenausgangsventil geschlossen und der noch an der Kathode vorhanden Sauerstoff nahezu vollständig aufgebraucht wird, bevor auch die Wasserstoffzufuhr an die Anode abgeschaltet wird. Somit kann vermieden werden, dass die Anode und/oder Kathode aufgrund von vorliegendem Sauerstoff degradiert. Folglich liegt bei einem darauffolgenden Starten des Brennstoffzellensystems in der Kathodenleitung bei ausreichend dichtem Kathodeneingangsventil und/oder Kathodenausgangsventil im Wesentlichen kein Sauerstoff an der Kathode vor. Erfindungsgemäß soll deshalb bei einem Start-Vorgang bzw. Anschalten der Brennkraftmaschine überprüft werden, ob während der zeitlich zuvor liegenden Stopp-Phase bzw. Abschalt-Phase des Brennstoffzellensystems ein Sauerstoff aufweisendes Gasgemisch durch ein möglicherweise undichtes Kathodeneingangsventil und/oder ein undichtes Kathodenausgangventil in die Kathodenleitung und somit zur Kathode gelangt ist. Dies kann bei weiterhin verschlossenem Kathodeneingangsventil und/oder Kathodenausgangsventil anhand einer Überwachung des von der Brennstoffzelle des Brennstoffzellensystems abgegeben elektrischen Stroms und/oder elektrischer Spannung erfolgen, wobei der Anode bereits ein Wasserstoff aufweisendes Gasgemisch zugeführt wird.
Folglich ist gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zum Überprüfen der Dichtigkeit eines Kathodeneingangsventils, das in einer Kathodenzuleitung eines Kathodenleitungssystems eines Brennstoffzellensystems angeordnet und dazu ausgebildet ist, die Kathodenzuleitung freizugeben oder zu versperren, und eines Kathodenausgangsventils offenbart, das in einer Kathodenableitung des Kathodenleitungssystems angeordnet und dazu ausgebildet ist, die Kathodenableitung freizugeben oder zu versperren. Die Kathodenzuleitung ist dazu ausgebildet, einer Kathode des Brennstoffzellensystems ein Sauerstoff aufweisendes Gasgemisch, insbesondere Luft, zuzuführen, und die Kathodenableitung ist dazu ausgebildet, das der Kathode zugeführte Gasgemisch wieder abzuleiten. Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst ein Empfangen eines Start-Signals, das ein beabsichtigtes Anschalten des Brennstoffzellensystems angibt, ein Senden eines Diagnosesignals, das das Brennstoffzellensystem dazu veranlasst, in einen Diagnosebetriebsmodus zu wechseln, wenn ein Start-Signal empfangen worden ist, ein Empfangen eines Stromsignals des Brennstoffzellensystems während sich das Brennstoffzellensystem im Diagnosebetriebsmodus befindet, ein Feststellen eines dichten Kathodeneingangsventils und/oder Kathodenausgangventils, wenn das empfangene Stromsignal einen elektrischen Stromwert angibt, der kleiner ist als ein vorbestimmter Stromschwellenwert, und ein Senden eines Steuersignals, das angibt, dass das Kathodeneingangsventils und/oder Kathodenausgangsventil dicht ist. Das empfangende Stromsignal ist dabei repräsentativ für einen von einer Brennstoffzelle des Brennstoffzellensystems abgegebenen elektrischen Stroms.
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 Kathodeneingangsventils und/oder Kathodenausgangsventils erfolgen. Damit kann das erfindungsgemäße Verfahren eine einfache und effektive Dichtigkeitsprüfung und ordnungsgemäße Funktionalitätsüberwachung des Kathodeneingangsventils und/oder Kathodenausgangsventils bereitstellen.
In einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens umfasst das Senden des Diagnosesignals ein Senden eines Kathodeneingangsventil-Schließsignals, das ein Schließen des Kathodeneingangsventils bewirkt, und/oder ein Senden eines Kathodenausgangsventil-Schließsignals, das ein Schließen des Kathodenausgangsventils bewirkt. Das Senden des Kathodeneingangsventil-Schließsignals und/oder des Kathodenausgangsventil-Schließsignals kann ebenso anzeigen, dass das Kathodeneingangsventil und/oder Kathodenausgangssignal, die sich aufgrund eines zeitlich zuvor stattfindenden Stopp-Vorgangs des Brennstoffzellensystems noch im geschlossenen Zustand befinden, im Diagnosebetriebsmodus des Brennstoffzellensystems weiterhin geschlossen bleiben. Folglich können das Kathodeneingangsventil-Schließsignal und/oder das Kathodenausgangsventil-Schließsignal auch jeweils ein Signal darstellen, das das Kathodeneingangsventil und/oder Kathodenausgangssignal dazu veranlasst, jeweils im geschlossenen Zustand zu verbleiben.
Somit läuft das erfindungsgemäße Verfahren in einer derart bevorzugten Ausgestaltung bei geschlossenem Kathodeneingangsventil und/oder geschlossenem Kathodenausgangsventil ab.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens umfasst das Senden des Diagnosesignals ferner ein Senden eines Wasserstoff-Zuführsignals, das ein Zuführen von Wasserstoff an die Anode des Brennstoffzellensystems bewirkt, ein Senden eines Spülventil-Schließsignals, das ein Schließen eines im Anodenleitungssystem des Brennstoffzellensystems angeordneten Spülventils bewirkt, wenn das empfangene Stromsignal einen Minimumwert anzeigt, und ein Senden eines Rückführpumpen-Aktivierungssignals, das ein Aktivieren einer im Anodenleitungssystem des Brennstoffzellensystems angeordneten Rückführpumpe bewirkt, wenn das empfangene Stromsignal den Minimumwert anzeigt.
Bei dem Verfahren gemäß einer solchen vorteilhaften Ausgestaltung kann sichergestellt werden, dass das von einem vorherigen Betriebszyklus des Brennstoffzellensystems an der Kathode vorhandene Gasgemisch, insbesondere der darin enthaltene Sauerstoff, durch das an die Anode zugeführte und Wasserstoff aufweisende Gasgemisch aufgebraucht wird. Das Erreichen des Minimumwerts des empfangenen Stromsignals zeigt an, dass das von dem vorherigen Betriebszyklus des Brennstoffzellensystems an der Kathode vorhandene Gasgemisch, insbesondere der darin enthaltene Sauerstoff, nahezu aufgebraucht ist.
In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung weist bei einem solchen vorteilhaften Verfahren das Senden des Wasserstoffzufuhrsignals ein Senden eines Anodenleitungssystem-Aktivierungssignals aufweist, das ein Aktivieren des Anodenleitungssystems des Brennstoffzellensystems bewirkt. Dabei umfasst das Senden des Anodenleitungssystem-Aktivierungssignals ein Senden eines Tankventill-Öffnungssignal, das ein Zuführen eines aus einem Tank des Brennstoffzellensystems stammenden und Wasserstoff aufweisenden Gasgemischs in das Anodenleitungssystem bewirkt, ein Senden eines Spülventil-Öffnungssignals, das ein Öffnen des Spülventils bewirkt, und ein Senden eines Rückführpumpen-Deaktivierungssignals, das ein Deaktivieren einer im Anodenleitungssystem des Brennstoffzellensystems angeordneten Rückführpumpe bewirkt.
Eine solche besonders bevorzugte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann gewährleisten, dass sich das Anodenleitungssystem bereits im Diagnosebetriebsmodus des Brennstoffzellensystems im Wesentlichen in einen aktivierten Zustand befindet, bei dem die Zufuhr von Wasserstoff an die Anode der Brennstoffzelle erfolgt.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt das Feststellen eines dichten Kathodeneingangsventils und/oder Kathodenausgangventils dann, wenn das nach dem Senden des Anodenleitungssystem-Aktivierungssignals empfangene Stromsignal einen elektrischen Stromwert angibt, der kleiner ist als der vorbestimmte Stromschwellenwert. Insbesondere kann somit vor dem Starten des Brennstoffzellensystems, bei dem das Kathodeneingangsventil und/oder das Kathodenausgangventil noch geschlossen sind, überprüft werden, ob während der zeitlich zuvor liegenden Stopp-Phase des Brennstoffzellensystems ein Sauerstoff aufweisendes Gasgemisch durch ein undichtes Kathodeneingangsventil und/oder ein undichtes Kathodenausgangventil in die Kathodenleitung und somit zur Kathode gelangt ist.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung weist das erfindungsgemäße Verfahren ferner ein Senden eines Warnsignals an eine Bedienerschnittstelle zum Anzeigen einer Warnung an einen Bediener des Brennstoffzellensystems, wenn festgestellt wurde, dass das empfangene Stromsignal einen elektrischen Stromwert angibt, der größer ist als der vorbestimmte Stromschwellenwert. Dabei gibt das Warnsignal an, dass das Kathodeneingangsventils und/oder Kathodenausgangventils zumindest teilweise undicht ist.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine Steuerungsvorrichtung offenbart, die dazu ausgebildet ist, ein erfindungsgemäßes Verfahren auszuführen.
Vorzugsweise umfasst die erfindungsgemäße Steuerungsvorrichtung einen ersten Steuerungsvorrichtungsabschnitt zum Ausführen des Schrittes des Empfangens eines Start-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 Steuersignals und einen dritten Steuerungsvorrichtungsabschnitt zum Ausführen des Schrittes des Feststellens eines dichten Kathodeneingangsventils und/oder Kathodenausgangventils.
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 Kathodenzuleitung, die dazu ausgebildet ist, einer Kathode des Brennstoffzellensystems ein Sauerstoff aufweisendes Gasgemisch, insbesondere Luft, zuzuführen, und einer Kathodenableitung, die dazu ausgebildet ist, das der Kathode zugeführte Gasgemisch abzuleiten, ein in der Kathodenzuleitung angeordnetes Kathodeneingangsventil, das dazu ausgebildet ist, die Kathodenzuleitung freizugeben oder zu versperren, 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 erfindungsgemäßes Verfahren auszuführen.
Gemäß einem noch weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein computerlesbares Medium offenbart, auf dem ein erfindungsgemäßes 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 und/oder Kathodenausgangsventils 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 Kathodeneingangsventils und/oder 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 Kathodeneingangsventils 145 und/oder Kathodenausgangsventils 147 des Brennstoffzellensystems 100 der 1 beschrieben. Dabei sei angemerkt, dass das mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens lediglich qualitativ eine Undichtigkeit von zumindest einem der beiden Ventile 145, 147 festgestellt werden kann, jedoch keine Lokalisierung der Undichtigkeit erfolgen kann. Folglich kann beim Feststellen einer Undichtigkeit der Ventile 145, 147 nicht ausgesagt werden, ob beide Ventile 145, 147 oder nur eines der beiden Ventile 145, 147 undicht bzw. fehlerbehaftet ist.
Das Verfahren der 2 startet beim Schritt 200 und gelangt dann zum Schritt 210, an dem überprüft wird, ob ein Start-Signal empfangen worden ist. Ein Start-Signal gibt dabei den von einem Bediener des Brennstoffzellensystems 100 beabsichtigten Wunsch zum Anschalten bzw. Starten des Brennstoffzellensystems 100 an. Insbesondere gibt das Start-Signal an, wenn ein Bediener das Brennstoffzellensystems 100 aktivieren bzw. anschalten bzw. starten möchte. Das Verfahren der 2 verbleibt so lange beim Schritt 210, bis ein Start-Signal empfangen wird. Folglich bleibt das Brennstoffzellensystem 100 solange im deaktivierten Zustand bzw. abgeschaltet, bis ein Start-Signal empfangen wird. Die Steuerungsvorrichtung 100, insbesondere der erste Steuerungsvorrichtungsabschnitt 162, ist dazu ausgebildet, das Start-Signal empfangen.
Wird beim Schritt 210 ein Start-Signal empfangen, gelangt das Verfahren zum Schritt 220, an dem das Brennstoffzellensystem 100 zunächst in einen Diagnosebetriebsmodus geschaltet wird, bevor das Brennstoffzellensystem in den normalen Betriebsmodus schaltet. Das heißt, dass nach dem Empfangen eines Start-Befehls erfindungsgemäß das Brennstoffzellensystem 100 noch nicht angeschaltet bzw. gestartet wird, sondern zunächst ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Überprüfen der Dichtigkeit des Kathodeneingangsventils 145 und/oder 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 werden beim Verfahren gemäß der 2 beim Schritt 220 zunächst ein Kathodeneingangsventil-Schließsignal, das ein Schließen des Kathodeneingangsventils 145 bewirkt, und ein Kathodenausgangsventil-Schließsignal gesendet, das ein Schließen des Kathodenausgangsventils 147 bewirkt. Da sowohl das Kathodeneingangsventil 145 als auch das Kathodenausgangsventil 147 zum Start-Zeitpunkt bereits geschlossen sind, können beim Schritt 220 sowohl dem Kathodeneingangsventil 145 als auch dem Kathodenausgangsventil 147 jeweils ein Signal gesendet werden, das bewirkt, dass das Kathodeneingangsventil 145 bzw. das Kathodenausgangsventil 147 im geschlossenen Zustand verbleiben.
Nach dem Bewirken des Schließens des Kathodeneingangsventils 145 und des Kathodenausgangsventils 147 bzw. Beibehalten des Kathodeneingangsventils 145 und des Kathodenausgangsventils 147 im geschlossenen Zustand wird bei dem Verfahren gemäß der Ausgestaltung der 2 das Brennstoffzellensystem 100 während dem Diagnosebetriebsmodus derart vorkonditioniert, dass der vom vorherigen Betriebszyklus des Brennstoffzellensystems noch in der Kathodenleitung 144 und somit an der Kathode vorhandene Sauerstoff aufgebraucht wird. Dazu kann das Verfahren der 2 beim Schritt 220 ein Senden eines Wasserstoff-Zuführsignals, das ein Zuführen von Wasserstoff an die Anode des Brennstoffzellensystems 100 bewirkt, ein Senden eines Spülventil-Schließsignals, das ein Schließen des Spülventils 137 bewirkt, wenn das empfangene Stromsignal einen Minimumwert anzeigt, und ein Senden eines Rückführpumpen-Aktivierungssignals, das ein Aktivieren der Rückführpumpe 139 bewirkt, wenn das empfangene Stromsignal den Minimumwert anzeigt.
Folglich kann während dem Diagnosebetriebsmodus zunächst die Zufuhr des Sauerstoff aufweisenden Gasgemischs an die Kathode mittels Schließen des Kathodeneingangsventils 145 und es Kathodenausgangsventils 147 gesperrt und die Zufuhr von Wasserstoff aufweisendem Gasgemisch mittels zumindest teilweises Aktivieren des Anodenleitungssystems 130 gestartet werden. Vorzugsweise wird das Wasserstoff aufweisende Gasgemisch sprunghaft zugeführt, wobei dabei das Spülventil 137 solange geöffnet und die Rückführpumpe solange deaktiviert bleiben, bis das Stromsignal einen Stromwert anzeigt, der einen Minimumwert beschreibt. Das Erreichen eines Minimumwerts des Stromsignals gibt dabei einen Zeitpunkt während dem Diagnosebetriebsmodus des Brennstoffzellensystems 100 an, an dem der an der Kathode und der abgesperrten Kathodenleitung 144 noch verfügbare Sauerstoff nahezu vollständig aufgebraucht ist, da der Anode das Wasserstoff aufweisende Gasgemisch bereits zugeführt wird.
Wenn das Stromsignal einen Stromwert anzeigt, der einen Minimumwert beschreibt, wird das Anodenleitungssystem 130 derart betrieben, dass sich wieder zwischen der Anodenzuleitung 132, der Anodenleitung 134, der Anodenableitung 136 und der Anodenrückführleitung 138 der bereits beschriebene Kreislauf ausbildet, in dem das Wasserstoff aufweisende Gasgemisch mittels der Rückführpumpe 139 umgewälzt bzw. im Kreis geführt werden kann. Erfindungsgemäß kann bereits der zu diesem Zeitpunkt ermittelte Stromwert zur Dichtigkeitsanalyse des Kathodeneingangsventils 145 und/oder des Kathodenausgangsventils 147 herangezogen werden.
Ferner erfolgt im Diagnosebetriebsmodus ein Senden eines Kompressor-Aktivierungssignals, das ein Aktivieren des Kompressors 170 bewirkt. Insbesondere kann dabei die Drehzahl des Kompressors 170 in Abhängigkeit eines vom Kompressor 170 geförderten Gasgemisch-Massenstroms. Das Aktivieren des Kompressors 170 kann gewährleisten, dass das im Kathodenleitungssystem 140 vorhandene und Sauerstoff aufweisende Gasgemisch bei geöffnetem Kathodeneingangsventil 145 und/oder Kathodenausgangsventil 147 in die Kathodenleitung 144 und somit zur Kathode der Brennstoffzelle 110 gelangen würde. Dadurch kann zudem ein Überdruck im Kathodenleitungssystem 140 (außerhalb der Kathodenleitung 144) aufgebaut werden, der für eine Dichtigkeitsanalyse des Kathodeneingangsventils 145 und/oder Kathodenausgangsventils 147 vorteilhaft ist.
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 Strom. 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 erzeugten 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 identifizierte 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 145 und das Kathodenausgangsventil 147 als ausreichend dicht diagnostiziert werden können. Der vorbestimmte Stromschwellenwert kann beispielsweise ungefähr 0,1 A bei einem Überdruck (bezogen auf die Atmosphäre) von ungefähr 100 mbar in der Kathodenzuleitung 142 bzw. Kathodenableitung 146 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 Kathodeneingangsventil 145 und/oder 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 Kathodeneingangsventil 145 und/oder 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 Kathodeneingangsventil 145 und/oder 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 Kathodeneingangsventil 145 und/oder 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 Kathodeneingangsventil 145 und/oder 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 Start-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 Kathodeneingangsventil 145 und das Kathodenausgangsventil 147 geschlossen werden und daraufhin der noch an der Kathode vorhanden Sauerstoff durch Aktivierung des Anodenleitungssystem 130 nahezu vollständig verbraucht wird. In diesem Diagnosebetriebsmodus ist somit die Zufuhr von Sauerstoff aufweisendem Gasgemisch zur Kathode unterbrochen, wohingegen die Zufuhr von Wasserstoff aufweisendem Gasgemisch an die Anode bereits teilweise vorhanden ist, so dass bei ordnungsgemäß funktionierendem Kathodeneingangsventil 145 und/oder 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 Kathodeneingangsventil 145 und Kathodenausgangsventil 147 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 Kathodeneingangsventil 145 und/oder Kathodenausgangsventil 147 zumindest teilweise undicht bzw. fehlerhaft ist.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann bei jedem Start-Vorgang des Brennstoffzellensystems 100 erfolgen. Alternativ kann das erfindungsgemäße Verfahren in regelmäßigen Abständen erfolgen, beispielsweise bei jedem fünften, zehnten oder zwanzigsten Start-Vorgang des Brennstoffzellensystems 100 durchgeführt werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 7943262 B2 [0005]
CN 111092246 A [0005]
KR 101795176 B1 [0005]
US 20220123335 A1 [0005]
US 10892502 B2 [0005]

Claims

Verfahren zum Überprüfen der Dichtigkeit eines Kathodeneingangsventils (145), das in einer Kathodenzuleitung (142) eines Kathodenleitungssystems (140) eines Brennstoffzellensystems (100) angeordnet und dazu ausgebildet ist, die Kathodenzuleitung (142) freizugeben oder zu versperren, und eines Kathodenausgangsventils (147), das in einer Kathodenableitung (146) des Kathodenleitungssystems (140) angeordnet und dazu ausgebildet ist, die Kathodenableitung (146) freizugeben oder zu versperren, wobei die Kathodenzuleitung (142) dazu ausgebildet ist, einer Kathode des Brennstoffzellensystems (100) ein Sauerstoff aufweisendes Gasgemisch, insbesondere Luft, zuzuführen, und die Kathodenableitung (146) dazu ausgebildet ist, das der Kathode zugeführte Gasgemisch abzuleiten, wobei das Verfahren aufweist: - Empfangen eines Start-Signals, das ein beabsichtigtes Anschalten des Brennstoffzellensystems (100) angibt, - Senden eines Diagnosesignals, das das Brennstoffzellensystem (100) dazu veranlasst, in einen Diagnosebetriebsmodus zu wechseln, wenn ein Start-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 Kathodeneingangsventils (145) und/oder 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 Kathodeneingangsventils (145) und/oder Kathodenausgangsventil (147) dicht ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Senden des Diagnosesignals aufweist: - Senden eines Kathodeneingangsventil-Schließsignals, das ein Schließen des Kathodeneingangsventils (145) bewirkt, und/oder - Senden eines Kathodenausgangsventil-Schließsignals, das ein Schließen des Kathodenausgangsventils (147) bewirkt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Senden des Diagnosesignals ferner aufweist: - Senden eines Wasserstoff-Zuführsignals, das ein Zuführen von Wasserstoff an die Anode des Brennstoffzellensystems (100) bewirkt, - Senden eines Spülventil-Schließsignals, das ein Schließen eines im Anodenleitungssystem (130) des Brennstoffzellensystems (100) angeordneten Spülventils (137) bewirkt, wenn das empfangene Stromsignal einen Minimumwert anzeigt, und - Senden eines Rückführpumpen-Aktivierungssignals, das ein Aktivieren einer im Anodenleitungssystem (130) des Brennstoffzellensystems (100) angeordneten Rückführpumpe (139) bewirkt, wenn das empfangene Stromsignal den Minimumwert anzeigt.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei das Senden des Wasserstoffzufuhrsignals ein Senden eines Anodenleitungssystem-Aktivierungssignals aufweist, das ein Aktivieren des Anodenleitungssystems (130) des Brennstoffzellensystems (100) bewirkt, wobei das Senden des Anodenleitungssystem-Aktivierungssignals aufweist: - Senden eines Tankventil-Öffnungssignal, das ein Zuführen eines aus einem Tank (120) des Brennstoffzellensystems (100) stammenden und Wasserstoff aufweisenden Gasgemischs in das Anodenleitungssystem (130) bewirkt, - Senden eines Spülventil-Öffnungssignals, das ein Öffnen des Spülventils (137) bewirkt, und - Senden eines Rückführpumpen-Deaktivierungssignals, das ein Deaktivieren einer im Anodenleitungssystem (130) des Brennstoffzellensystems (100) angeordneten Rückführpumpe (139) bewirkt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 3 und 4, wobei das Feststellen eines dichten Kathodeneingangsventils (145) und/oder Kathodenausgangventils (147) erfolgt, wenn das nach dem Senden des Anodenleitungssystem-Aktivierungssignals empfangene Stromsignal einen elektrischen Stromwert angibt, der kleiner ist als der vorbestimmte Stromschwellenwert,
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 Kathodeneingangsventils (145) und/oder Kathodenausgangventils (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 Start-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 Kathodeneingangsventils (145) und/oder Kathodenausgangventils (147).
Brennstoffzellensystem (100), mit: - einem Anodenleitungssystem (130), das dazu ausgebildet ist, einer Anode ein Wasserstoff aufweisendes Gasgemisch zuzuführen, - einem Kathodenleitungssystem (140) mit einer Kathodenzuleitung (142), die dazu ausgebildet ist, einer Kathode des Brennstoffzellensystems (100) ein Sauerstoff aufweisendes Gasgemisch, insbesondere Luft, zuzuführen, und einer Kathodenableitung (146), die dazu ausgebildet ist, das der Kathode zugeführte Gasgemisch abzuleiten, - einem in der Kathodenzuleitung (142) angeordneten Kathodeneingangsventil (135), das dazu ausgebildet ist, die Kathodenzuleitung (142) freizugeben oder zu versperren, - einem in der Kathodenableitung (146) angeordneten Kathodenausgangsventil (147), das dazu ausgebildet ist, die Kathodenableitung (146) freizugeben oder zu versperren, und - einer Steuerungsvorrichtung (160) nach einem der Ansprüche Anspruch 7 und 8.
Computerprogramm, umfassend Befehle, die, wenn sie von einer Recheneinheit ausgeführt werden, die Recheneinheit veranlassen, ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6 auszuführen.
Computerlesbares Medium, auf dem das Computerprogramm nach Anspruch 10 gespeichert ist.