DE102022212563A1

DE102022212563A1 - Verfahren zur Prüfung der Funktionsfähigkeit eines Brennstoffkonzentrationssensors einer Brennstoffzelleneinheit

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Publication number: DE102022212563A1
Application number: DE102022212563.0A
Authority: DE
Inventors: Erick Falcon Alva
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2022-11-24
Filing date: 2022-11-24
Publication date: 2024-05-29
Also published as: WO2024110157A1

Abstract

Verfahren zur Prüfung der Funktionsfähigkeit eines Brennstoffkonzentrationssensors (83), welcher die Konzentration von Brennstoff in einer Abgasleitung (77) für eine Brennstoffzelleneinheit (1) erfasst, mit den Schritten: Leiten von Gas durch die Abgasleitung (77) und von der Abgasleitung (77) in die Umgebung, Erfassen der Konzentration an Brennstoff in dem durch die Abgasleitung (77) geleiteten Gas mit einem Brennstoffkonzentrationssensor (83), Ausführen eines Prüfzyklus, so dass während des Prüfzyklus die Funktionsfähigkeit des Brennstoffkonzentrationssensors (83) geprüft wird, wobei die Funktionsfähigkeit des Brennstoffkonzentrationssensors (83) während des Prüfzyklus geprüft wird ohne dass mit einem Injektor (19) während des Prüfzyklus Brennstoff aus einem Brennstoffspeicher (21) in die Abgasleitung (77) mittelbar oder unmittelbar eingeleitet wird nur für das Ausführen des Prüfzyklus.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Prüfung der Funktionsfähigkeit eines Brennstoffkonzentrationssensors einer Brennstoffzelleneinheit gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 und eine Brennstoffzelleneinheit gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 15.
Stand der Technik
Brennstoffzelleneinheiten als galvanische Zellen wandeln mittels Redoxreaktionen an einer Anode und Kathode kontinuierlich zugeführten Brennstoff und Oxidationsmittels in elektrische Energie um. Brennstoffzellen werden in den unterschiedlichsten stationären und mobilen Anwendungen eingesetzt, beispielweise in Häusern ohne Anschluss an ein Stromnetz oder in Kraftfahrzeugen, im Schienenverkehr, in der Luftfahrt, in der Raumfahrt und in der Schifffahrt. In der Brennstoffzelleneinheit sind eine große Anzahl an Brennstoffzellen zu dem Brennstoffzellenstapel als Brennstoffzellenstack gestapelt. In den Brennstoffzellenstapel sind Kanäle zum Durchleiten von Rezirkulationsbrennstoff, Kanäle zum Durchleiten von Oxidationsmittel und Kanäle zum Durchleiten von Kühlmittel integriert. Der durch die Kanäle geleitete Rezirkulationsbrennstoff wird nicht vollständig verbraucht nach dem Durchleiten, sodass nach dem Ausleiten des Rezirkulationsbrennstoffes aus den Kanälen für Rezirkulationsbrennstoff dieser wieder mit einer Rezirkulationsleitung eines Rezirkulationssystems den Kanälen für Rezirkulationsbrennstoff zugeführt wird. Der, entsprechend der angeforderten Leistung der Brennstoffzelleneinheit, verbrauchte Brennstoff wird mit einem Injektor der Rezirkulationsleitung zugeführt. Je größer die Leistung der Brennstoffzelleneinheit ist, desto größer ist der Verbrauch an Brennstoff und dieser verbrauchte Brennstoff wird entsprechend mit dem Injektor zugeführt. Der Brennstoff, im Allgemeinen Wasserstoff, wird in einem Druckgasspeicher unter einem hohen Druck oder kryogen bei niedrigem Druck gespeichert. In dem aus dem Brennstoffzellenstapel ausgeleiteten Rezirkulationsbrennstoff tritt ein hoher Feuchtigkeitsgehalt auf, sodass mit einem Wasserabscheider des Rezirkulationssystems vor Wiedereinführung des Rezirkulationsbrennstoffes in den Brennstoffzellenstapel eine Abscheidung von Wasser ausgeführt wird. An einem Abscheidungssystem ist ein Drainventil zum Ablassen von Wasser in die Umgebung vorhanden.
In dem in einem Kreislauf geleiteten Rezirkulationsbrennstoff reichern sich während des Betriebes des Brennstoffzellensystems nicht erwünschte verschiedene Gase an. Beispielsweise diffundieren in einem geringeren Umfang Wasser- und Stickstoffmoleküle von den Kanälen für Oxidationsmittel durch die Protonenaustauschermembran in die Kanäle für Rezirkulationsbrennstoff in der Brennstoffzelleneinheit. Damit die nicht erwünschten Gase in dem Rezirkulationsbrennstoff als Rezirkulationsgemischbrennstoff nicht gewisse Grenzwerte überschreiten, d. h. den eigentlichen Brennstoff nicht wesentlich verdrängen, ist es notwendig, in Abhängigkeit vom Betrieb der Brennstoffzelleneinheit Rezirkulationsbrennstoff mit einem Purgeventil in die Umgebung abzuleiten. An dem Abscheidungssystem ist ein Purgeventil zum Ablassen von Rezirkulationsbrennstoff in die Umgebung ausgebildet.
Das Abgas als Kathodenabgas nach dem Durchleiten des Oxidationsmittels durch die Kanäle für Brennstoff und der Rezirkulationsbrennstoff als Anodenabgas nach dem Durchleiten des Brennstoffes durch die Kanäle für Brennstoff wird durch eine gemeinsame Abgasleitung simultan in die Umgebung abgeleitet. Während des temporären Öffnens des Purgeventils als einem temporären und zeitlich begrenzte Ablassvorgang von Rezirkulationsbrennstoff erhöht sich die Konzentration des Brennstoffes in dem durch die Abgasleitung in die Umgebung abgeleiteten Abgas. Ab dem Überschreiten eines bestimmten Grenzwertes der Konzentration des Brennstoffes in dem abgeleiteten Abgas in die Umgebung, beispielsweise von 4 % bei dem Brennstoff Wasserstoff, ist das abgeleitete Abgas entzündlich. Ein Funken oder eine Flamme, beispielsweise durch eine weggeworfene Zigarettenkippe, im Bereich des Endes der Abgasleitung würde somit zu einer gefährlichen Flamme in der Umgebung führen. Aus diesem Grund wird mit einem Brennstoffkonzentrationssensor die Konzentration des in die Umgebung abgeleiteten Brennstoffes ständig erfasst und bei einem Erreichen eines vorgegebenen Grenzwertes der Konzentration des Brennstoffes, beispielsweise von 3,5 %, wird eine Fehlermeldung ausgegeben oder die Brennstoffzelleneinheit selbsttätig abgeschaltet. Aufgrund der hohen Sicherheitsrelevanz dieses Brennstoffkonzentrationssensors ist es bereits bekannt, die Funktionsfähigkeit des Brennstoffkonzentrationssensors zu erfassen bzw. zu prüfen, damit kein funktionsunfähiger Brennstoffkonzentrationssensor verwendet wird während des Betriebes der Brennstoffzelleneinheit.
Die DE 10 2008 055 803 B4 offenbart ein Verfahren zum Begrenzen der Konzentration an Wasserstoff in einem gemischten Kathoden- und Anodenabgas aus einem Brennstoffzellenstapel.
Die DE 10 2011 103 403 B4 zeigt ein Verfahren zum Testen eines Wasserstoffkonzentrationssensors, der in einer Abgasleitung eines Brennstoffzellensystems positioniert ist, mit den Schritten: eine Strömung von Abgas von einem Brennstoffzellenstapel an die Abgasleitung während eines Normalbetriebs des Brennstoffzellensystems bereitgestellt wird; Wasserstoffgas von einer Wasserstoffquelle in die Anodenseite des Brennstoffzellenstapels von einer Mehrzahl von Injektoren während des Normalbetriebs des Brennstoffzellensystems eingespritzt wird; ein Injektor der Mehrzahl von Injektoren einen definierten Impuls von Wasserstoffgas während eines Testbetriebs des Brennstoffzellensystems durch eine Bypassleitung an dem Brennstoffzellenstapel vorbei direkt in die Abgasleitung einspritzt; und der Impuls von Wasserstoffgas durch den Wasserstoffkonzentrationssensor detektiert wird, um zu bestimmen, ob der Wasserstoffkonzentrationssensor einwandfrei arbeitet, wobei der definierte Impuls von Wasserstoffgas gerade so hoch ausgelegt ist, dass er bei einem einwandfreien Betrieb des Wasserstoffkonzentrationssensors einen Fahrzeugwasserstoffalarm auslöst. In nachteiliger Weise wird somit während des Verfahrens zum Testen in dem Prüfzyklus Wasserstoff verbraucht, der nicht in dem Brennstoffzellensystem zur Umwandlung in elektrische Energie genutzt wird und somit nur für das Testen des Wasserstoffkonzentrationssensors verwendet wird.
Offenbarung der Erfindung
Vorteile der Erfindung
Erfindungsgemäßes Verfahren zur Prüfung der Funktionsfähigkeit eines Brennstoffkonzentrationssensors, welcher die Konzentration von Brennstoff in einer Abgasleitung für eine Brennstoffzelleneinheit erfasst, mit den Schritten: Leiten von Gas durch die Abgasleitung und von der Abgasleitung in die Umgebung, Erfassen der Konzentration an Brennstoff in dem durch die Abgasleitung geleiteten Gas mit einem Brennstoffkonzentrationssensor, Ausführen eines Prüfzyklus, so dass während des Prüfzyklus die Funktionsfähigkeit des Brennstoffkonzentrationssensors geprüft wird, wobei vorzugsweise die Funktionsfähigkeit des Brennstoffkonzentrationssensors während des Prüfzyklus geprüft wird ohne dass mit einem Injektor Brennstoff während des Prüfzyklus aus einem Brennstoffspeicher in die Abgasleitung mittelbar oder unmittelbar eingeleitet wird nur für das Ausführen des Prüfzyklus. Vorzugsweise wird somit für das Ausführen des Prüfzyklus kein Gas durch die Abgasleitung geleitet mit einer bekannten Konzentration an Brennstoff aufgrund des mittelbaren oder unmittelbaren Einleitens von Brennstoff aus dem Brennstoffspeicher in die Abgasleitung nur für das Ausführen des Prüfzyklus.
Erfindungsgemäßes Verfahren zur Prüfung der Funktionsfähigkeit eines Brennstoffkonzentrationssensors, welcher die Konzentration von Brennstoff in einer Abgasleitung für eine Brennstoffzelleneinheit erfasst, mit den Schritten: Leiten von Gas durch die Abgasleitung und von der Abgasleitung in die Umgebung, Erfassen der Konzentration an Brennstoff in dem durch die Abgasleitung geleiteten Gas mit einem Brennstoffkonzentrationssensor, Ausführen eines Prüfzyklus, so dass während des Prüfzyklus die Funktionsfähigkeit des Brennstoffkonzentrationssensors geprüft wird, wobei während der Ausführung des Prüfzyklus ein Prüfgas mit einer bekannten Prüfkonzentration an Brennstoff durch die Abgasleitung geleitet wird und mit dem Brennstoffkonzentrationssensor wird die Konzentration des Brennstoffes in dem Prüfgas als Messkonzentration erfasst und/oder während der Ausführung des Prüfzyklus der Betrieb der Brennstoffzelleneinheit zur Erzeugung von elektrischer Energie ausgeführt und ein Leiten von Rezirkulationsbrennstoff durch ein Rezirkulationssystem mit einer Rezirkulationsleitung zur Rezirkulation des aus Kanälen für Rezirkulationsbrennstoff in einem Brennstoffzellenstapel ausgeleiteten Rezirkulationsbrennstoffes wieder zurück in die Kanäle für Rezirkulationsbrennstoff ausgeführt wird und wiederholt temporäre, zeitlich begrenzte Ablassvorgänge von Rezirkulationsbrennstoff aus dem Rezirkulationssystem durch die Abgasleitung in die Umgebung mit einem Purgeventil ausgeführt werden und mit dem Brennstoffkonzentrationssensor die Messkonzentration von Brennstoff in dem Abgas der Abgasleitung in Abhängigkeit von der Zeit erfasst wird, insbesondere wird mit dem Brennstoffkonzentrationssensor die Messkonzentration von Brennstoff in dem Abgas der Abgasleitung als einer in Abhängigkeit von der Zeit veränderlichen Mischung aus Kathodenabgas und/oder Anodenabgas in Abhängigkeit von der Zeit erfasst.
In einer weiteren Ausführungsform wird während der Ausführung des Prüfzyklus ein Prüfgas mit einer bekannten Prüfkonzentration an Brennstoff durch die Abgasleitung geleitet und mit dem Brennstoffkonzentrationssensor wird die Konzentration des Brennstoffes in dem Prüfgas als Messkonzentration erfasst. Vorzugsweise ist die Prüfkonzentration des Brennstoffes in dem durch die Abgasleitung geleiteten Abgas zwischen 0 % und 0, 5 %, insbesondere zwischen 0 % und 0, 1 %.
In einer zusätzlichen Ausgestaltung wird zur Prüfung der Funktionsfähigkeit des Brennstoffkonzentrationssensors die Messkonzentration des Brennstoffes mit der Prüfkonzentration des Brennstoffes verglichen.
In einer ergänzenden Variante wird zur Prüfung der Funktionsfähigkeit des Brennstoffkonzentrationssensors der Betrag der Differenz aus der Messkonzentration des Brennstoffes und der Prüfkonzentration des Brennstoffes bestimmt und bei einem Überschreiten oder Erreichen eines vorgegebenen Grenzwertes des Betrages dieser Differenz die Funktionsunfähigkeit des Brennstoffkonzentrationssensors bestimmt wird. Vorzugsweise ist der vorgegebene Grenzwert des Betrages dieser Differenz zwischen 0 % und 0,5 %.
In einer weiteren Ausführungsform wird zur Prüfung der Funktionsfähigkeit des Brennstoffkonzentrationssensors der Betrag der Differenz aus der Messkonzentration des Brennstoffes und der Prüfkonzentration des Brennstoffes bestimmt und bei einem Unterschreiten eines vorgegebenen Grenzwertes des Betrages dieser Differenz die Funktionsfähigkeit des Brennstoffkonzentrationssensors bestimmt wird. Vorzugsweise ist der vorgegebene Grenzwert des Betrages dieser Differenz zwischen 0 % und 0,5 %.
In einer ergänzenden Ausführungsform wird als das Prüfgas mit der bekannten Prüfkonzentration an Brennstoff durch die Abgasleitung im Wesentlichen Umgebungsluft mit einer Prüfkonzentration an Brennstoff von im Wesentlichen 0 % geleitet. Im Wesentlichen 0 % Prüfkonzentration des Brennstoffes in dem durch die Abgasleitung geleiteten Gas als dem Prüfgas als fiktives Abgas bedeutet, dass die Prüfkonzentration zwischen 0 % und 0, 5 %, insbesondere zwischen 0 % und 0,1 %, liegt.
Vorzugsweise wird mit einer Gasfördereinrichtung Umgebungsluft, insbesondere ausschließlich Umgebungsluft, durch die Abgasleitung als das Prüfgas geleitet.
In einer weiteren Variante wird die Umgebungsluft als das Prüfgas ohne Durchleitung durch einen Brennstoffzellenstapel durch die Abgasleitung geleitet.
In einer weiteren Variante wird das Verfahren vor und/oder nach dem Betrieb der Brennstoffzelleneinheit zur Erzeugung von elektrischer Energie ausgeführt.
In einer zusätzlichen Ausgestaltung wird während der Ausführung des Prüfzyklus der Betrieb der Brennstoffzelleneinheit zur Erzeugung von elektrischer Energie ausgeführt und ein Leiten von Rezirkulationsbrennstoff durch ein Rezirkulationssystem mit einer Rezirkulationsleitung zur Rezirkulation des aus Kanälen für Rezirkulationsbrennstoff in einem Brennstoffzellenstapel ausgeleiteten Rezirkulationsbrennstoffes wieder zurück in die Kanäle für Rezirkulationsbrennstoff ausgeführt und wiederholt temporäre, zeitlich begrenzte Ablassvorgänge von Rezirkulationsbrennstoff aus dem Rezirkulationssystem durch die Abgasleitung in die Umgebung mit einem Purgeventil ausgeführt werden und mit dem Brennstoffkonzentrationssensor die Messkonzentration von Brennstoff in dem Abgas der Abgasleitung in Abhängigkeit von der Zeit erfasst wird, insbesondere wird mit dem Brennstoffkonzentrationssensor die Messkonzentration von Brennstoff in dem Abgas der Abgasleitung als einer in Abhängigkeit von der Zeit veränderlichen Mischung aus Kathodenabgas und/oder Anodenabgas in Abhängigkeit von der Zeit erfasst.
Zweckmäßig wird die Funktionsfähigkeit des Brennstoffkonzentrationssensors mittels des zeitlichen Verlaufes der Messkonzentration von Brennstoff in dem Abgas der Abgasleitung bestimmt.
In einer weiteren Ausführungsform werden aus dem zeitlichen Verlauf der Messkonzentration von Brennstoff in dem Abgas der Abgasleitung lokale Maxima der Messkonzentration von Brennstoff bestimmt und die Anzahl der lokalen Maxima der Messkonzentration von Brennstoff während je eines Prüfzeitraumes gezählt werden. Vorzugsweise werden die lokalen Maxima mit mathematischen Methoden bestimmt. Beispielsweise wird der zeitliche Verlauf der Messkonzentration von Brennstoff mit einer Polynomfunktion, insbesondere getrennt für mehrere zeitliche Teilabschnitte während des Prüfzyklus, angenähert und aus der angenäherten Polynomfunktion und/oder den angenäherten Polynomfunktionen die lokalen Maxima bestimmt werden, insbesondere mittels Infinitesimalrechnung. Vorzugsweise werden die lokalen Maxima mit mathematischen Methoden bestimmt indem der Durchschnitt der Messkonzentration während je eines Prüfzeitraumes bestimmt wird und aus dem zeitlich begrenzten Überschreiten des Messkonzentration über einen Wert, der größer ist als der Durchschnitt, die Anzahl der lokalen Maxima der Messkonzentration von Brennstoff bestimmt werden.
In einer ergänzenden Ausführungsform wird die Funktionsfähigkeit des Brennstoffkonzentrationssensors bestimmt indem die Anzahl der lokalen Maxima der Messkonzentration von Brennstoff mit der Anzahl der temporären Ablassvorgänge von Rezirkulationsbrennstoff aus dem Rezirkulationssystem durch die Abgasleitung in die Umgebung mit dem Purgeventil verglichen wird während je eines identischen Prüfzeitraumes.
In einer zusätzlichen Variante ist der Brennstoff Wasserstoff, der Brennstoffkonzentrationssensor ein Wasserstoffkonzentrationssensor ist und der Brennstoffspeicher ein Wasserstoffspeicher ist.
Erfindungsgemäße Brennstoffzelleneinheit zur elektrochemischen Erzeugung von elektrischer Energie, umfassend gestapelt angeordnete Brennstoffzellen und die Brennstoffzellen jeweils gestapelt angeordnete schichtförmige Komponenten umfassen, so dass die gestapelten Brennstoffzellen einen Brennstoffzellenstapel bilden, in den Brennstoffzellenstapel integrierte Kanäle für Rezirkulationsbrennstoff, eine Abgasleitung zur Ableitung von Kathodenabgas und Anodenabgas, einen Brennstoffkonzentrationssensor zur Erfassung der Konzentration von Brennstoff in einer Abgasleitung der Brennstoffzelleneinheit, wobei mit der Brennstoffzelleneinheit ein in dieser Schutzrechtsanmeldung beschriebenes Verfahren ausführbar ist.
In einer weiteren Variante wird das Leiten von Gas durch die Abgasleitung und von der Abgasleitung in die Umgebung und das Erfassen der Konzentration an Brennstoff in dem durch die Abgasleitung geleiteten Gas mit dem Brennstoffkonzentrationssensor während des Ausführens des Prüfzyklus zur Prüfung der Funktionsfähigkeit des Brennstoffkonzentrationssensors ausgeführt.
In einer weiteren Ausführungsform ist der Brennstoffspeicher ein Druckgasspeicher oder ein kryogener Brennstoffspeicher
In einer ergänzenden Ausführungsform wird zur Prüfung der Funktionsfähigkeit des Brennstoffkonzentrationssensors der Betrag der Differenz aus der Anzahl der lokalen Maxima der Brennstoffkonzentration und der Anzahl der temporären Ablassvorgänge von Rezirkulationsbrennstoff bestimmt wird und bei einem Unterschreiten eines vorgegebenen Grenzwertes des Betrages dieser Differenz, insbesondere bei einer Identität der Anzahl der lokalen Maxima der Brennstoffkonzentration und der Anzahl der temporären Ablassvorgänge von Rezirkulationsbrennstoff, während je eines identischen Prüfzeitraumes die Funktionsfähigkeit des Brennstoffkonzentrationssensors bestimmt wird, vorzugsweise ist der vorgegebene Grenzwertes des Betrages dieser Differenz 3, 5, 7, 10 oder 20 und vorzugsweise ist der Grenzwert und/oder je eine identische Prüfungszeitraum dahingehend bestimmt, dass die Anzahl der temporären Ablassvorgänge wenigstens um das 2-Fache, 3-Fache oder 5-Fache größer ist als der Grenzwert während des je einen Prüfungszeitraums.
In einer weiteren Ausgestaltung wird zur Prüfung der Funktionsfähigkeit des Brennstoffkonzentrationssensors der Betrag der Differenz aus der Anzahl der lokalen Maxima der Messkonzentration von Brennstoff und der Anzahl der temporären Ablassvorgänge von Rezirkulationsbrennstoff bestimmt und bei einem Überschreiten oder Erreichen eines vorgegebenen Grenzwertes des Betrages dieser Differenz die Funktionsunfähigkeit des Brennstoffkonzentrationssensors bestimmt wird, vorzugsweise ist der vorgegebene Grenzwertes des Betrages dieser Differenz 3, 5, 7, 10 oder 20 und vorzugsweise ist der Grenzwert und/oder je eine identische Prüfungszeitraum dahingehend bestimmt, dass die Anzahl der temporären Ablassvorgänge wenigstens um das 2-Fache, 3-Fache oder 5-Fache größer ist als der Grenzwert während des je einen Prüfungszeitraums
In einer ergänzenden Variante ist die Konzentration des Brennstoffes eine Volumenkonzentration und/oder eine Massenkonzentration in dem durch die Abgasleitung geleiteten Abgas und/oder Prüfgas als Gas. Vorzugsweise wird Prüfgas als fiktives Abgas betrachtet.
In einer zusätzlichen Ausführungsform wird die Konzentration des Brennstoffes mit dem Brennstoffkonzentrationssensor erfasst indem mit einem Temperatursensor die Temperatur des Abgases und/oder Prüfgases in der Abgasleitung vor einem Thermoelement erfasst wird und ein in Strömungsrichtung des Abgases nach dem Temperatursensor angeordnetes Thermoelement, insbesondere mit einem elektrischen Widerstandsheizelement, erwärmt wird und von dem Abgas und/oder Prüfgas in der Abgasleitung umströmt wird, so dass das Abgas und/oder Prüfgas von dem Thermoelement erwärmt wird und das Thermoelement von dem Abgas und/oder Prüfgas gekühlt wird und der zeitliche Verlauf der Temperatur des Abgases und/oder Prüfgases, der zeitliche Verlauf der elektrischen Heizleistung für das Thermoelement und der zeitliche Verlauf der Temperatur des Thermoelementes erfasst werden und hieraus der zeitliche Verlauf der Konzentration des Brennstoffes berechnet wird. Unterschiedliche Konzentrationen an Brennstoff in dem Abgas und/oder Prüfgas resultieren in eine unterschiedliche Dichte des Abgases und/oder Prüfgases und das Kühlen des Thermoelementes mit dem Abgas und/oder Prüfgas hängt von der Dichte des Abgases und/oder Prüfgases ab.
Vorzugsweise wird das Verfahren mit einer Steuerungs- und/oder Regeleinheit, insbesondere Computer, ausgeführt und/oder gesteuert und/oder geregelt.
In einer weiteren Ausführungsform wird das durch die Kanäle geleitete Oxidationsmittel als Kathodenabgas und der mit dem Purgeventil ausgeleitete Rezirkulationsbrennstoff simultan, insbesondere vollständig, durch die Abgasleitung, insbesondere nur eine Abgasleitung, in die Umgebung abgeleitet, insbesondere während der Ausführung des in dieser Schutzrechtsanmeldung beschriebenen Verfahrens.
In einer zusätzlichen Ausführung wird während des Prüfzyklus das Prüfgas mit der bekannten Prüfkonzentration an Brennstoff durch die Abgasleitung geleitet indem die Gasfördereinrichtung betrieben wird und wenigstens einem Ventil, insbesondere wenigstens ein Oxidationsmittelventil, dahingehend geschalten ist, dass das von der Gasfördereinrichtung geförderte Oxidationsmittel, insbesondere die Umgebungsluft, in die Abgasleitung, insbesondere ausschließlich in die Abgasleitung, gefördert wird und vorzugsweise nicht durch den Brennstoffzellenstapel.
In einer weiteren Variante umfasst die Brennstoffzelleneinheit ein Rezirkulationssystem mit einer Rezirkulationsleitung zur Rezirkulation des aus den Kanälen für Rezirkulationsbrennstoff ausgeleiteten Rezirkulationsbrennstoffes wieder zurück in die Kanäle für Rezirkulationsbrennstoff, so dass in der Brennstoffzelleneinheit ein Rezirkulationskreislauf mit rezirkulierendem Rezirkulationsbrennstoff gebildet ist.
In einer weiteren Variante umfasst die Brennstoffzelleneinheit ein Abscheidungssystem zur Abscheidung von Wasser und/oder Rezirkulationsbrennstoff aus dem Rezirkulationssystem.
Vorzugsweise umfasst das Abscheidungssystem ein Drainventil zum Ablassen von in dem Sammelraum gespeicherten Wasser in die Umgebung.
In einer weiteren Ausführungsform wird das Abscheiden von Wasser aus Rezirkulationsbrennstoff mit einem Wasserabscheider, einem Speichern des abgeschiedenen Wassers in einem Sammelraum zur Speicherung von abgeschiedenem Wasser und ein Ablassen von in dem Sammelraum gespeicherten Wasser in die Umgebung mit einem Drainventil ausgeführt.
In einer weiteren Variante wird das in dieser Schutzrechtsanmeldung beschriebenen Verfahren mit einer in dieser Schutzrechtsanmeldung beschriebenen Brennstoffzelleneinheit und/oder Brennstoffzellensystem ausgeführt.
In einer ergänzenden Variante umfasst das Rezirkulationssystem eine Fördervorrichtung, insbesondere ein Gebläse und/oder eine Strahlpumpe, zur Förderung des Rezirkulationsbrennstoff durch den Rezirkulationskreislauf.
Vorzugsweise ist das Rezirkulationssystem als eine Baueinheit ausgebildet.
In einer weiteren Ausgestaltung umfasst das Rezirkulationssystem wenigstens ein elektrisches Widerstandsheizelement, insbesondere mehrere elektrische Widerstandsheizelemente, zum Erwärmen wenigstens einer Komponente des Rezirkulationssystems und/oder zum Erwärmen des Rezirkulationssystems. Somit kann mit dem wenigstens einen elektrischen Widerstandsheizelement Eis zu Wasser aufgetaut werden.
In einer ergänzenden Ausführungsform umfasst der Wasserabscheider einen Abscheidungsströmungsraum zum Durchleiten des Rezirkulationsbrennstoffes und zum Abscheiden von Wasser und/oder Feuchtigkeit aus dem Rezirkulationsbrennstoff.
Zweckmäßig sind die Komponenten des Rezirkulationssystems eine Rezirkulationsleitung und/oder eine Fördereinrichtung für Rezirkulationsbrennstoff, insbesondere ein Gebläse und/oder eine Strahlpumpe, und/oder ein Wasserabscheider und/oder wenigstens ein Purgeventil und/oder wenigstens ein Drainventil und/oder ein Injektor für Brennstoff und/oder ein Gehäuse und/oder eine Anschlussplatte und/oder wenigstens ein Verbindungsmittel und/oder ein Brennstoffkonzentrationssensor und/oder eine Oxidationsmittelbypassleitung und/oder ein erstes und/oder zweites Oxidationsmittelventil und/oder eine Ablassleitung für Kathodenabgas und Anodenabgas und vorzugsweise Wasser.
In einer ergänzenden Variante ist das Abscheiden von Wasser aus dem Rezirkulationsbrennstoff in dem Wasserabscheider als einem mechanischen Wasserabscheider mittels Sedimentation und/oder Drall ausführbar. Bei einer Abscheidung mittels Drall ist beispielsweise in einem Zyklon der Rezirkulationsbrennstoff in eine Rotationsbewegung versetzbar, sodass aufgrund der auftretenden Zentrifugalkräfte Wasser abscheidbar ist.
Vorzugsweise ist die Strömungsquerschnittsfläche des Abscheidungsströmungsraumes wenigstens um das 2-, 5-, 7-oder 10-fache größer als die Strömungsquerschnittsfläche der Rezirkulationsleitung für Rezirkulationsbrennstoff. Damit weist der Rezirkulationsbrennstoff in dem Abscheidungsströmungsraum eine wesentlich kleinere Strömungsgeschwindigkeit auf als in der Rezirkulationsleitung, sodass dadurch auch eine effektive mechanische Wasserabscheidung in dem Abscheidungsströmungsraum ausführbar ist.
Vorzugsweise ist der Brennstoff Wasserstoff, wasserstoffreiches Gas, Reformatgas oder Erdgas.
Zweckmäßig sind die Brennstoffzellen und/oder Komponenten im Wesentlichen eben und/oder scheibenförmig ausgebildet.
In einer ergänzenden Variante ist das Oxidationsmittel Luft mit Sauerstoff oder reiner Sauerstoff.
Vorzugsweise ist die Brennstoffzelleneinheit eine PEM-Brennstoffzelleneinheit mit PEM-Brennstoffzellen.
Erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem, umfassend eine Brennstoffzelleneinheit, ein Brennstoffversorgungssystem mit einem Brennstoffspeicher, insbesondere Druckbehälter für Brennstoff als ein Prozessfluid, ein Oxidationsmittelversorgungssystem mit einer Gasfördereinrichtung für Oxidationsmittel als ein Prozessfluid, wobei die Brennstoffzelleneinheit eine in dieser Schutzrechtsanmeldung beschriebene Brennstoffzelleneinheit ausgebildet ist.
Erfindungsgemäßes computerimplementiertes Verfahren umfassend Schritte des in dieser Schutzrechtsanmeldung beschriebenen Verfahrens.
Die Erfindung umfasst ferner ein Computerprogramm mit Programmcodemitteln, die auf einem computerlesbaren Datenträger gespeichert sind, um ein in dieser Schutzrechtsanmeldung beschriebenes Verfahren durchzuführen, wenn das Computerprogramm auf einem Computer, insbesondere einer Steuerungs- und/oder Regeleinheit, oder einer entsprechenden Recheneinheit durchgeführt wird.
Bestandteil der Erfindung ist außerdem ein Computerprogrammprodukt mit Programmcodemitteln, die auf einem computerlesbaren Datenträger gespeichert sind, um ein in dieser Schutzrechtsanmeldung beschriebenes Verfahren durchzuführen, wenn das Computerprogramm auf einem Computer, insbesondere einer Steuerungs- und/oder Regeleinheit, oder einer entsprechenden Recheneinheit durchgeführt wird. Das Computerprogrammprodukt ist ein Speicher zum Speichern des Computerprogramms, beispielsweise eine CD, eine Festplatte oder ein USB-Stick.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Im Nachfolgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigt:

1 eine stark vereinfachte Explosionsdarstellung eines Brennstoffzellensystems mit Komponenten einer Brennstoffzelle,
2 eine perspektivische Ansicht eines Teils einer Brennstoffzelle,
3 einen Längsschnitt durch eine Brennstoffzelle,
4 eine perspektivische Ansicht eines Brennstoffzellenstapel ohne Gehäuse und ohne Rezirkulationssystem,
5 einen Schnitt durch die Brennstoffzelleneinheit mit Gehäuse und mit einem Rezirkulationssystem ohne Darstellung eines Wasserstoffkonzentrationssensors und einer Oxidationsmittelbypassleitung,
6 eine vergrößerte Teildarstellung des Rezirkulationssystems gemäß 5 mit Darstellung des Wasserstoffkonzentrationssensors und der Oxidationsmittelbypassleitung
7 eine Seitenansicht der Brennstoffzelleneinheit mit Rezirkulationssystem und ohne optionales Gehäuse des Rezirkulationssystems und
8 ein erstes oberes Diagramm bei dem an der Abszisse die Zeit t aufgetragen ist und an der Ordinate die mit einem Wasserstoffkonzentrationssensor erfasste Konzentration c des Wasserstoffes in einer Abgasleitung während des Betriebes der Brennstoffzelleneinheit mit wiederholten temporären Ablassvorgängen von Rezirkulationsbrennstoff in die Abgasleitung aufgetragen ist und ein zweites unteres Diagramm bei dem an der Abszisse die Zeit t aufgetragen ist und an der Ordinate der Volumenstrom Q des in die Abgasleitung eingeleiteten Rezirkulationsbrennstoffes aufgetragen ist.

In den 1 bis 3 ist der grundlegende Aufbau einer Brennstoffzelle 2 als einer PEM-Brennstoffzelle 3 (Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle 3) dargestellt. Das Prinzip von Brennstoffzellen 2 besteht darin, dass mittels einer elektrochemischen Reaktion elektrische Energie bzw. elektrischer Strom erzeugt wird. An eine Anode 7 wird Wasserstoff H₂ als gasförmiger Rezirkulationsbrennstoff geleitet und die Anode 7 bildet den Minuspol. An eine Kathode 8 wird ein gasförmiges Oxidationsmittel, nämlich Luft mit Sauerstoff, geleitet, d. h. der Sauerstoff in der Luft stellt das notwendige gasförmige Oxidationsmittel zur Verfügung. An der Kathode 8 findet eine Reduktion (Elektronenaufnahme) statt. Die Oxidation als Elektronenabgabe wird an der Anode 7 ausgeführt.
Die Redoxgleichungen der elektrochemischen Vorgänge lauten: Anode: 2 H2 --» 4 H+ + 4 e- Kathode: O2 + 4 H+ + 4 e- --» 2 H2O Summenreaktionsgleichung von Anode und Kathode: 2 H2 + O2 --» 2 H2O
Die Differenz der Normalpotentiale der Elektrodenpaare unter Standardbedingungen als reversible Brennstoffzellenspannung oder Leerlaufspannung der unbelasteten Brennstoffzelle 2 beträgt 1,23 V. Diese theoretische Spannung von 1,23 V wird in der Praxis nicht erreicht. Im Ruhezustand und bei kleinen Strömen können Spannungen über 1,0 V erreicht werden und im Betrieb mit größeren Strömen werden Spannungen zwischen 0,5 V und 1,0 V erreicht. Die Reihenschaltung von mehreren Brennstoffzellen 2, insbesondere eine Brennstoffzelleneinheit 1 mit einem Brennstoffzellenstapel 40 von mehreren übereinander angeordneten Brennstoffzellen 2, weist eine höhere Spannung auf, welche der Zahl der Brennstoffzellen 2 multipliziert mit der Einzelspannung je einer Brennstoffzelle 2 entspricht.
Die Brennstoffzelle 2 umfasst außerdem eine Protonenaustauschermembran 5 (Proton Exchange Membrane, PEM), welche zwischen der Anode 7 und der Kathode 8 angeordnet ist. Die Anode 7 und Kathode 8 sind schichtförmig bzw. scheibenförmig ausgebildet. Die PEM 5 fungiert als Elektrolyt (lonenleiter), Katalysatorträger (lonenerzeuger) und Separator (Gastrennung) für die Reaktionsgase. Die PEM 5 fungiert außerdem als elektrischer Isolator für Elektronen und verhindert einen elektrischen Kurzschluss zwischen der Anode 7 und Kathode 8. Im Allgemeinen werden 12 µm bis 150 µm dicke, protonenleitende Folien aus perfluorierten und sulfonierten Polymeren eingesetzt. Die PEM 5 leitet die Protonen H⁺ und sperrt andere Ionen als Protonen H⁺ im Wesentlichen, so dass aufgrund der Durchlässigkeit der PEM 5 für die Protonen H⁺ der Ladungstransport erfolgen kann. Die PEM 5 ist für die Reaktionsgase Sauerstoff O₂ und Wasserstoff H₂ im Wesentlichen undurchlässig, d. h. sperrt die Strömung von Sauerstoff O₂ und Wasserstoff H₂ zwischen einem Gasraum 31 an der Anode 7 mit Rezirkulationsbrennstoff Wasserstoff H₂ und dem Gasraum 32 an der Kathode 8 mit Luft bzw. Sauerstoff O₂ als Oxidationsmittel. Die Protonenleitfähigkeit der PEM 5 vergrößert sich mit steigender Temperatur und steigenden Wassergehalt.
Auf den beiden Seiten der PEM 5, jeweils zugewandt zu den Gasräumen 31, 32, liegen die Elektroden 7, 8 als die Anode 7 und Kathode 8 auf. Eine Einheit aus der PEM 5 und Anode 7 sowie Kathode 8 wird als Membranelektrodenanordnung 6 (Membran Electrode Assembly, MEA) bezeichnet. Die Elektroden 7, 8 sind mit der PEM 5 verpresst. Die Elektroden 7, 8 sind platinhaltige Kohlenstoffpartikel, die an PTFE (Polytetrafluorethylen), FEP (Fluoriertes Ethylen-Propylen-Copolymer), PFA (Perfluoralkoxy), PVDF (Polyvinylidenfluorid) und/oder PVA (Polyvinylalkohol) gebunden sind und in mikroporösen Kohlefaser-, Glasfaser- oder Kunststoffmatten heißverpresst sind. An den Elektroden 7, 8 sind auf der Seite zu den Gasräumen 31, 32 hin normalerweise jeweils eine Katalysatorschichten 30 aufgebracht (nicht dargestellt). Die Katalysatorschicht 30 an dem Gasraum 31 mit Rezirkulationsbrennstoff als Anodengas an der Anode 7 umfasst nanodisperses Platin-Ruthenium auf grafitierten Rußpartikeln, die an einem Bindemittel gebunden sind. Die Katalysatorschicht 30 an dem Gasraum 32 mit Oxidationsmittel an der Kathode 8 umfasst analog nanodisperses Platin. Als Bindemittel werden beispielsweise Nation®, eine PTFE-Emulsion oder Polyvinylalkohol eingesetzt.
Abweichend hiervon sind die Elektroden 7, 8 aus einem lonomer, beispielsweise Nation®, platinhaltigen Kohlenstoffpartikeln und Zusatzstoffen aufgebaut. Diese Elektroden 7, 8 mit dem lonomer sind aufgrund der Kohlenstoffpartikel elektrisch leitfähig und leiten auch die Protonen H⁺ und fungieren zusätzlich auch als Katalysatorschicht 30 für lonendissoziation wegen der platinhaltigen Kohlenstoffpartikel. Membranelektrodenanordnungen 6 mit diesen Elektroden 7, 8 umfassend das lonomer bilden Membranelektrodenanordnungen 6 als CCM (catalyst coated membran).
Auf der Anode 7 und der Kathode 8 liegt eine Gasdiffusionsschicht 9 (Gas Diffusion Layer, GDL) auf. Die Gasdiffusionsschicht 9 an der Anode 7 verteilt den Rezirkulationsbrennstoff aus Kanälen 12 für Rezirkulationsbrennstoff gleichmäßig auf die Katalysatorschicht 30 an der Anode 7. Die Gasdiffusionsschicht 9 an der Kathode 8 verteilt das Oxidationsmittel aus Kanälen 13 für Oxidationsmittel gleichmäßig auf die Katalysatorschicht 30 an der Kathode 8. Die GDL 9 zieht außerdem Reaktionswasser in umgekehrter Richtung zur Strömungsrichtung der Reaktionsgase ab, d. h. in einer Richtung je von der Katalysatorschicht 30 zu den Kanälen 12, 13. Ferner hält die GDL 9 die PEM 5 feucht und leitet den Strom. Die GDL 9 ist beispielsweise aus einem hydrophobierten Kohlepapier und einer gebundenen Kohlepulverschicht aufgebaut.
Auf der GDL 9 liegt eine Bipolarplatte 10 auf. Die elektrisch leitfähige Bipolarplatte 10 dient als Stromkollektor, zur Wasserableitung und zur Leitung der Reaktionsgase durch eine Kanalstruktur 29 und/oder ein Flussfeld 29 und zur Ableitung der Abwärme, welche insbesondere bei der exothermen elektrochemischen Reaktion an der Kathode 8 auftritt. Zum Ableiten der Abwärme sind in die Bipolarplatte 10 Kanäle 14 zur Durchleitung eines flüssigen oder gasförmigen Kühlmittels eingearbeitet. Die Kanalstruktur 29 an dem Gasraum 31 für Rezirkulationsbrennstoff ist von Kanälen 12 gebildet. Die Kanalstruktur 29 an dem Gasraum 32 für Oxidationsmittel ist von Kanälen 13 gebildet. Als Material für die Bipolarplatten 10 werden beispielsweise Metall, leitfähige Kunststoffe und Kompositwerkstoffe oder Grafit eingesetzt. Die Bipolarplatte 10 umfasst somit die drei Kanalstrukturen 29, gebildet von den Kanälen 12, 13 und 14, zur getrennten Durchleitung von Rezirkulationsbrennstoff, Oxidationsmittel und Kühlmittel. In einer Brennstoffzelleneinheit 1 mit Brennstoffzellenstapel 40 und/oder einem Brennstoffzellenstack 40 sind mehrere Brennstoffzellen 2 fluchtend gestapelt angeordnet (4). Die Brennstoffzellen 2 und die Komponenten 5, 6, 7, 8, 9, 10 der Brennstoffzellen 2 sind schichtförmig und/oder scheibenförmig ausgebildet und spannen fiktive Ebenen 37 (3) auf. Die Komponenten 5, 6, 7, 8, 9, 10 der Brennstoffzellen 2 sind Protonenaustauschermembranen 5, Anoden 7, Kathoden 8, Gasdiffusionsschichten 9 und Bipolarplatten 10.
In 1 ist eine Explosionsdarstellung von zwei gestapelt angeordneten Brennstoffzellen 2 abgebildet. Eine Dichtung 11 dichtet die Gasräume 31, 32 fluiddicht ab. In einem Druckgasspeicher 21 als Brennstoffspeicher 21 (1) ist Wasserstoff H₂ als Brennstoff mit einem Druck von beispielsweise 350 bar bis 800 bar gespeichert, wobei der Druck mit dem Verbrauch des Brennstoffes abnimmt. Aus dem Druckgasspeicher 21 wird der Brennstoff durch eine Hochdruckleitung 18 zu einem Druckminderer 20 geleitet zur Reduzierung des Druckes des Brennstoffes in einer Mitteldruckleitung 17 von ungefähr 10 bar bis 20 bar. Aus der Mitteldruckleitung 17 wird der Brennstoff zu einem Injektor 19 geleitet. An dem Injektor 19 wird der Druck des Brennstoffes auf einen Einblasdruck zwischen 1 bar und 3 bar reduziert. Von dem Injektor 19 wird der Brennstoff mittelbar mittels einer Strahlpumpe 62 (nur in 5 dargestellt) einer Zufuhrleitung 16 für Rezirkulationsbrennstoff (1) zugeführt und von der Zufuhrleitung 16 den Kanälen 12 für Rezirkulationsbrennstoff, welche die Kanalstruktur 29 für Rezirkulationsbrennstoff bilden. Der Rezirkulationsbrennstoff durchströmt dadurch den Gasraum 31 für den Rezirkulationsbrennstoff. Der Gasraum 31 für den Rezirkulationsbrennstoff ist von den Kanälen 12 und der GDL 9 an der Anode 7 gebildet. Nach dem Durchströmen der Kanäle 12 wird der nicht in der Redoxreaktion an der Anode 7 verbrauchte Brennstoff und gegebenenfalls Wasser aus einer Befeuchtung der Anode 7 durch eine Abfuhrleitung 15 aus den Brennstoffzellen 2 abgeleitet.
Eine Gasfördereinrichtung 22, beispielsweise als ein Gebläse 23 oder ein Kompressor 24 ausgebildet, fördert Luft aus der Umgebung als Oxidationsmittel in eine Zufuhrleitung 25 für Oxidationsmittel. Aus der Zufuhrleitung 25 wird die Luft den Kanälen 13 für Oxidationsmittel, welche eine Kanalstruktur 29 an den Bipolarplatten 10 für Oxidationsmittel bilden, zugeführt, so dass das Oxidationsmittel den Gasraum 32 für das Oxidationsmittel durchströmt. Der Gasraum 32 für das Oxidationsmittel ist von den Kanälen 13 und der GDL 9 an der Kathode 8 gebildet. Nach dem Durchströmen der Kanäle 13 bzw. des Gasraumes 32 für das Oxidationsmittel 32 wird das nicht an der Kathode 8 verbrauchte Oxidationsmittel und das an der Kathode 8 aufgrund der elektrochemischen Redoxreaktion entstehenden Reaktionswasser durch eine Abfuhrleitung 26 aus den Brennstoffzellen 2 abgeleitet. Die Abfuhrleitung 26 für Oxidationsmittel mündet in die Umgebung. Eine Zufuhrleitung 27 dient zur Zuführung von Kühlmittel in die Kanäle 14 für Kühlmittel und eine Abfuhrleitung 28 dient zur Ableitung des durch die Kanäle 14 geleiteten Kühlmittels. Die Zu- und Abfuhrleitungen 15, 16, 25, 26, 27, 28 sind in 1 aus Vereinfachungsgründen als gesonderte Leitungen dargestellt und sind konstruktiv tatsächlich am Endbereich in der Nähe der Kanäle 12, 13, 14 als fluchtende Fluidöffnungen (nicht dargestellt) am Endbereich der aufeinander liegenden Membranelektrodenanordnungen 6 ausgebildet. Analog sind auch an plattenförmigen Verlängerungen (nicht dargestellt) der Bipolarplatten 10 Fluidöffnungen (nicht dargestellt) ausgebildet und die Fluidöffnungen in den plattenförmigen Verlängerungen der Bipolarplatten 10 fluchten mit den Fluidöffnungen (nicht dargestellt) an den Membranelektrodenanordnungen 6 zur teilweisen Ausbildung der Zu- und Abfuhrleitungen 15, 16, 25, 26, 27, 28. Die Brennstoffzelleneinheit 1 zusammen mit dem Druckgasspeicher 21 und der Gasfördereinrichtung 22 bildet ein Brennstoffzellensystem 4.
In der Brennstoffzelleneinheit 1 sind die Brennstoffzellen 2 zwischen zwei Spannelementen 33 als Spannplatten 34 angeordnet. Eine obere Spannplatte 35 liegt auf der obersten Brennstoffzelle 2 auf und eine untere Spannplatte 36 liegt auf der untersten Brennstoffzelle 2 auf. Die Brennstoffzelleneinheit 1 umfasst ungefähr 200 bis 400 Brennstoffzellen 2, die aus zeichnerischen Gründen nicht alle in 4 bis 5 dargestellt sind. Die Spannelemente 33 bringen auf die Brennstoffzellen 2 eine Druckkraft auf, d. h. die obere Spannplatte 35 liegt mit einer Druckkraft auf der obersten Brennstoffzelle 2 auf und die untere Spannplatte 36 liegt mit einer Druckkraft auf der untersten Brennstoffzelle 2 auf. Damit ist der Brennstoffzellenstapel 40 verspannt, um die Dichtheit für den Brennstoff, das Oxidationsmittel und das Kühlmittel, insbesondere aufgrund der elastischen Dichtung 11, zu gewährleisten und außerdem den elektrischen Kontaktwiderstand innerhalb des Brennstoffzellenstapels 40 möglichst klein zu halten. Zur Verspannung der Brennstoffzellen 2 mit den Spannelementen 33 sind an der Brennstoffzelleneinheit 1 vier Verbindungsvorrichtungen 38 als Bolzen 39 ausgebildet, welche auf Zug beansprucht sind. Die vier Bolzen 39 sind mit den Spannplatten 34 fest verbunden.
Der Brennstoffzellenstapel 40 ist in einem Gehäuse 42 (5) angeordnet. Das Gehäuse 42 weist eine Innenseite 43 und eine Außenseite 44 auf. Zwischen dem Brennstoffzellenstapel 40 und dem Gehäuse 42 ist ein Zwischenraum 41 ausgebildet. Das Gehäuse 42 ist außerdem von einer Anschlussplatte 47 aus Metall, insbesondere Stahl, gebildet. Das übrige Gehäuse 42 ohne der Anschlussplatte 47 ist mit Fixierungselementen 48 als Schrauben 49 an der Anschlussplatte 47 befestigt. In der Anschlussplatte 47 sowie in der unteren Spannplatte 36 ist eine Öffnung 45 zum Einleiten von Rezirkulationsbrennstoff in die Kanäle 12 für Rezirkulationsbrennstoff ausgebildet. Außerdem ist in der Anschlussplatte 47 sowie in der unteren Spannplatte 36 eine Öffnung 46 zum Ausleiten von Rezirkulationsbrennstoff aus den Kanälen 12 für Rezirkulationsbrennstoff ausgebildet. In der Anschlussplatte 47 und der unteren Spannplatte 36 als dem Spannelemente 33 sind weitere, nicht in 5 dargestellte Öffnungen ausgebildet zum Einleiten von Oxidationsmittel, zum Ausleiten von Oxidationsmittel, zum Einleiten von Kühlmittel und zum Ausleiten von Kühlmittel. Damit sind in der Anschlussplatte 47 und der unteren Spannplatte 36 insgesamt 6 Öffnungen ausgebildet.
Der Rezirkulationsbrennstoff als Rezirkulationswasserstoff wird durch die Kanäle 12 für Rezirkulationsbrennstoff und damit auch durch den Gasraum 31 für Rezirkulationsbrennstoff geleitet. Eine Rezirkulationsleitung 50 dient zur Rezirkulation des aus den Kanälen 12 für Rezirkulationsbrennstoff ausgeleiteten Rezirkulationsbrennstoffes, d. h. der aus den Kanälen 12 für Rezirkulationsbrennstoff ausgeleitete Rezirkulationsbrennstoff wird mit der Rezirkulationsleitung 50 wieder den Kanälen 12 für Rezirkulationsbrennstoff und damit auch dem Gasraum 31 für Rezirkulationsbrennstoff zugeführt. Die Abfuhrleitung 15 für Rezirkulationsbrennstoff und die Zufuhrleitung 16 für Rezirkulationsbrennstoff fungieren damit auch als die Rezirkulationsleitung 50. In die Rezirkulationsleitung 50 ist ein Wasserabscheider 51 integriert. Der Wasserabscheider 51 (5) ist somit in die Rezirkulationsleitung 50 eingebaut und ist außerdem auch als ein mechanischer Wasserabscheider 52 ausgebildet mit einem Abscheidungsströmungsraum 53. In 1 ist der Wasserabscheider 51 nicht dargestellt. Der Abscheidungsströmungsraum 53 weist eine wesentlich größere Strömungsquerschnittsfläche auf als die Rezirkulationsleitung 50, sodass dadurch die Strömungsgeschwindigkeit des Rezirkulationsbrennstoffes in dem Abscheidungsströmungsraum 53 wesentlich kleiner ist als in der Rezirkulationsleitung 50 und damit kleine Wassertröpfchen in dem Rezirkulationsbrennstoff als Anodengas in dem Abscheidungsströmungsraum 53 mittels Sedimentation abgeschieden werden, sodass damit ein mechanischer Wasserabscheider 53 vorliegt. Der Abscheidungsströmungsraum 53 ist von Wandungen 54 des Wasserabscheiders 51 begrenzt.
In dem Abscheidungsströmungsraum 53 ist eine Wasserableitungsöffnung 57 eingebaut, sodass dadurch in dem Abscheidungsströmungsraum 53 abgeschiedenes Wasser durch die Wasserableitungsöffnung 57 in die Umgebung abgeleitet werden kann. An der Wasserableitungsöffnung 57 ist ein Ablassventil 63 als Drainventil 75 ausgebildet, sodass das abgeschiedene Wasser zunächst in dem Abscheidungsströmungsraum 53 gesammelt und gezielt in die Umgebung abgegeben werden kann. Hierzu ist optional zusätzlich an dem Wasserabscheider 51 ein nicht dargestellter Sensor zur Erfassung des Wasserstandes in dem Abscheidungsströmungsraum 53 vorhanden, sodass damit mittels des Sensors automatisch und selbsttätig eine Öffnung des Drainventils 75 bei dem Erreichen eines vorgegebenen Wasserstandes in dem Abscheidungsströmungsraum 53 aktiviert wird in Abhängigkeit von einem weiteren Parameter, beispielsweise dem Standort eines Kraftfahrzeuges. In dem Wasserabscheider 51 ist eine Einleitungsöffnung 55 zum Einleiten des Rezirkulationsbrennstoffes in den Abscheidungsströmungsraum 53 ausgebildet und eine Ausleitungsöffnung 56 zum Ausleiten des Rezirkulationsbrennstoffes aus dem Abscheidungsströmungsraum 53. Die Rezirkulationsleitung 50 mündet in die Einleitungsöffnung 55 und die Ausleitungsöffnung 56. Die Mitteldruckleitung 17 und die Hochdruckleitung 18 werden als Oberbegriff auch mit Druckgasleitung 59 für Brennstoff bezeichnet. Der Brennstoff ist in dem Druckgasspeicher 21 unter einem sehr großen Druck von beispielsweise 400 oder 800 bar gespeichert.
Ein Rezirkulationssystem 65 der Brennstoffzelleneinheit 1 umfasst somit die Rezirkulationsleitung 50 und den Wasserabscheider 51. Das Rezirkulationssystem 65 umfasst außerdem eine Fördereinrichtung 60 für den Rezirkulationsbrennstoff als ein Gebläse 61. Mit der Fördereinrichtung 60 wird der Rezirkulationsbrennstoff, d. h. eine Mischung aus dem Brennstoff Wasserstoff, Stickstoff, Wasserdampf und flüssigen Wasser, in dem Kreislauf umgewälzt. Die Fördereinrichtung 60 wird von einem nicht dargestellten Elektromotor angetrieben. Zur Einsparung von elektrischer Energie zum Antrieb der elektrisch betriebenen Fördereinrichtung 60 umfasst das Rezirkulationssystem 65 zusätzlich die Strahlpumpe 62. Mithilfe der Strahlpumpe 62 wird der hohe Druck des Rezirkulationsbrennstoffes ausgenutzt, um den Rezirkulationsbrennstoff umzuwälzen und dadurch elektrische Energie für die Fördereinrichtung 60 einzusparen. Bei einer kleinen, von der elektrischen Brennstoffzelleneinheit 1 abzugebenden elektrischen Leistung wird auch nur ein kleiner Volumenstrom an Wasserstoff mittels des Injektors 19 und der Strahlpumpe 62 in die Rezirkulationsleitung 50 eingeleitet, sodass auch nur eine geringe Energie pro Zeiteinheit aus dem Volumenstrom an Wasserstoff für die Förderung des Rezirkulationsbrennstoffes ausgenutzt werden kann. Aus diesem Grund ist es notwendig, bei einer kleinen, von der Brennstoffzelleneinheit 1 abzugebenden elektrischen Leistung zusätzlich die Fördereinrichtung 60 mittels elektrischer Energie zu betreiben. Andererseits wird bei einer großen, von der Brennstoffzelleneinheit 1 abzugebenden Leistung die Fördereinrichtung 60 nicht benötigt und ist abgeschaltet, weil der Volumenstrom an Wasserstoff zur Forderung des Rezirkulationsbrennstoffes mittels der Strahlpumpe 62 ausreichend ist.
An der Wasserableitungsöffnung 57 des Wasserabscheiders 51 ist das Drainventil 75 ausgebildet. Das Drainventil 75 mündet in die Ablassleitung 64 für Wasser in die Umgebung. Da sich auch an der Fördereinrichtung 60 als dem Gebläse 61 Kondensationswasser ansammeln kann, ist auch an der Fördereinrichtung 60 das Drainventil 75 mit Ablassleitung 64 ausgebildet nur zur Ableitung von Wasser.
An der Fördereinrichtung 60, der Strahlpumpe 62 und den Ablassventilen 63 sind elektrische Widerstandsheizelemente 58 angeordnet. Bei einem Start der Brennstoffzelleneinheit 1 bei Temperaturen unter 0 °C gefriert das Wasser an der Fördereinrichtung 60, der Strahlpumpe 62 und den Drainventilen 75, sodass dadurch das Rezirkulationssystem 65 nicht funktionsfähig ist und somit auch die Brennstoffzelleneinheit 1 nicht gestartet werden kann. Ein Antriebssystem für ein Kraftfahrzeuge umfasst eine Batterie als Pufferbatterie zur Speicherung von elektrischer Energie. Bei einem Start der Brennstoffzelleneinheit 1 bei Temperaturen unter 0° werden mittels elektrischer Energie aus der Batterie (nicht dargestellt) die elektrischen Widerstandsheizelemente 58 betrieben und dadurch die Fördereinrichtung 60, die Strahlpumpe 62 und die Ablassventiles 63 erwärmt, sodass das darin enthaltene gefrorene Wasser als Eis aufgetaut und in Form von flüssigem Wasser vorliegt. Anschließend kann die Brennstoffzelleneinheit 1 gestartet werden.
Das Rezirkulationssystem 65 umfasst eine Anschlussplatte 66. Die Anschlussplatte 66 ist aus Metall, insbesondere Stahl oder Aluminium, ausgebildet und ist im Wesentlichen eben und/oder scheibenförmig. Die Anschlussplatte 66 des Rezirkulationssystems 65 ist im Wesentlichen parallel zu der Anschlussplatte 47 des Brennstoffzellenstapels 40 ausgerichtet. Im Wesentlichen parallel bedeutet vorzugsweise mit einer Abweichung von weniger als 30°, 20°, 10° oder 5°. Das Rezirkulationssystem 65 umfasst optional ein Gehäuse 71. Das in 5 strichliert dargestellte Gehäuse 71 umhüllt die Komponenten des Rezirkulationssystems 65 zusammen mit der Anschlussplatte 66. Die Anschlussplatte 66 ist somit auch Bestandteil des Gehäuses 71 des Rezirkulationssystems 65.
Das Rezirkulationssystem 65 ist mit mechanischen Kontaktelementen 73 aus Metall mit der übrigen Brennstoffzelleneinheit 1, d. h. dem Brennstoffzellenstapel 40 mit dem Gehäuse 42, mechanisch verbunden. Die mechanischen Kontaktelemente 73 sind von Fixierungselementen 67 und Abstandselementen 70 gebildet. Die Fixierungselemente 67 als Verbindungselemente 69 aus Metall dienen zur mechanischen Verbindung des Rezirkulationssystems 65 mit der Anschlussplatte 47 des Brennstoffzellenstapels 40. Die Fixierungselemente 67 sind dabei vorzugsweise als Schrauben 68 ausgebildet.
Ein Abscheidungssystem 72 der Brennstoffzelleneinheit 1 umfasst den Wasserabscheider 51 und das Drainventil 75. In dem Wasserabscheider 51 mit dem Abscheidungsströmungsraum 53 fungiert ein unterer Teilbereich des Abscheidungsströmungsraumes 53 auch als Sammelraum 78 zur Speicherung von in dem Wasserabscheider 51 abgeschiedenen Wasser. Das Drainventil 75 an dem Sammelraum 78 fungiert zum Ablassen von in dem Sammelraum 78 gespeicherten Wasser in die Umgebung.
In die Zuführleitung 16 für Rezirkulationsbrennstoff als Rezirkulationsleitung 50 mündet eine Abgasleitung 77 (5 und 6). In diese Abgasleitung 77 ist ein Purgeventil 76 als Ablassventil 63 eingebaut. In dem Rezirkulationsbrennstoff reichern sich während des Betriebes der Brennstoffzelleneinheit 1 weitere, nicht erwünschte Stoffe, beispielsweise Stickstoff, an. Damit sich die Konzentration der nicht erwünschten Stoffen in dem durch den Kreislauf geleiteten Rezirkulationsbrennstoff nicht über gewisse Grenzwerte erhöht, ist es notwendig, in wiederholten, temporären und zeitlich begrenzte Ablassvorgänge Rezirkulationsbrennstoff mittels eines Öffnens des Purgeventils 76 durch die Abgasleitung 77 in die Umgebung abzuleiten während des Betriebes der Brennstoffzelleneinheit 1 zur Erzeugung von elektrischer Energie. Das Purgeventil 77 wird beispielsweise alle 5 Sekunden für eine Zeitdauer von 1 Sekunde oder 0,5 Sekunden geöffnet. Während des Betriebes der Brennstoffzelleneinheit 1 zur Erzeugung von elektrischer Energie ist ein erstes Oxidationsmittelventil 81 geschlossen und ein zweites Oxidationsmittelventil 82 ist geöffnet. Zusätzlich ist die Gasfördereinrichtung 22 im Betrieb, sodass das aus der Umgebung angesaugt der Oxidationsmittel als die Umgebungsluft durch die Zufuhrleitung 25 in die Kanäle 13 für Oxidationsmittel in den Brennstoffzellenstapel 40 eingeleitet wird durch eine Öffnung 79 zum Einleiten von Oxidationsmittel und anschließend durch eine Öffnung 80 zum Ausleiten von Oxidationsmittel in die Abfuhrleitung 26 für Oxidationsmittel und Wasser eingeleitet wird. Die Abfuhrleitung 26 für Oxidationsmittel und Wasser mündet ebenfalls in die Abgasleitung 77. Die Abgasleitung 77 mündet in die Umgebung, sodass sowohl das durch die Kanäle 13 für Oxidationsmittel geleitete und teilweise verbrauchte Oxidationsmittel als Kathodenabgas als auch der durch das geöffnete Purgeventils 76 in die Umgebung abgeleitete Rezirkulationsbrennstoff als Anodenabgas gleichzeitig als eine Mischung aus Kathodenabgas und Anodenabgas in die Umgebung abgeleitet werden.
Bei einem Überschreiten der Konzentration des Brennstoffes Wasserstoff in dem durch die Abgasleitung 77 abgeleiteten Abgas von 4 % ist das abgeleitete Abgas brennfähig und könnte sich somit bei einem Funken oder einer Flamme im Bereich des Endes der Abgasleitung 77 entzündet werden. Zur Vermeidung einer gefährlichen Flamme an dem aus der Abgasleitung 77 abgeleiteten Abgas ist ein Brennstoffkonzentrationssensor 83 als ein Wasserstoffkonzentrationssensor 84 im Bereich des Endes der Abgasleitung 77 angeordnet. Der Wasserstoffkonzentrationssensor 84 erfasst ständig die Konzentration des Wasserstoffes in dem durch die Abgasleitung 77 abgeleiteten Abgas und ab dem Erreichen eines Grenzwertes der Konzentration von Abgas von 3, 5 % erfolgt aus Sicherheitsgründen ein automatisches Abschalten der Brennstoffzelleneinheit 1 und/oder die Ausgabe eines akustischen und/oder optischen Warnsignales. Die Funktionsfähigkeit des Wasserstoffkonzentrationssensors 84 ist somit für den Betrieb der Brennstoffzelleneinheit 1 wichtig und aus diesem Grund wird die Funktionsfähigkeit des Wasserstoffkonzentrationssensors 84 ständig überprüft.
Zur Prüfung der Funktionsfähigkeit des Wasserstoffkonzentrationssensors 83 als dem Brennstoffkonzentrationssensor 84 stehen 2 verschiedene Verfahren zur Verfügung. Ein erstes Verfahren wird vor und/oder nach dem Betrieb der Brennstoffzelleneinheit 1 zur Erzeugung von elektrischer Energie ausgeführt. Ein zweites Verfahren wird während des Betriebes der Brennstoffzelleneinheit 1 zur Erzeugung von elektrischer Energie ausgeführt.
In dem ersten Verfahren zur Prüfung der Funktionsfähigkeit des Brennstoffkonzentrationssensors 84 wird in einem Prüfzyklus ein Prüfgas als Gas mit einer bekannten Prüfkonzentration an Wasserstoff durch die Abgasleitung 77 geleitet. Das Prüfgas ist ausschließlich Umgebungsluft ohne Durchleitung durch den Brennstoffzellenstapel 40 als das Oxidationsmittel mit einer bekannten Prüfkonzentration von Wasserstoff von im Wesentlichen 0 %. Hierzu wird das zweite Oxidationsmittelventil 82 geschlossen, das erste Oxidationsmittelventil 81 geöffnet und die Gasfördereinrichtung 22 betrieben. Die von der Gasfördereinrichtung 22 geförderte Umgebungsluft wird somit ausschließlich durch eine Oxidationsmittelbypassleitung 85 ohne Durchleitung durch den Brennstoffzellenstapel 40 in die Abgasleitung 77 eingeleitet. Da während der Durchführung des ersten Verfahrens die Brennstoffzelleneinheit 1 abgeschaltet ist, ist auch das Purgeventil 76 ständig geschlossen und es wird somit während der Durchführung des Prüfzyklus für das erste Verfahren kein Rezirkulationsbrennstoff als Anodenabgas durch die Abgasleitung 77 geleitet. Während der Durchführung des Prüfzyklus für das erste Verfahren mit einer Prüfdauer von beispielsweise zwischen 5 Sekunden oder 20 Sekunden wird mit dem Wasserstoffkonzentrationssensor 84 ständig die Konzentration des durch die Abgasleitung 77 geleiteten fiktiven Abgases als Prüfgas, d. h. Umgebungsluft, erfasst als Messkonzentration und mit der bekannten Prüfkonzentration an Wasserstoff von im Wesentlichen 0 % verglichen. Eine nicht dargestellte Steuerungs- und/oder Regelungseinheit führt das Verfahren und die Berechnung aus. Dabei wird ständig der Betrag der Differenz zwischen der Messkonzentration an Wasserstoff und der Prüfkonzentration an Wasserstoff bestimmt oder berechnet. Bei einem Überschreiten oder Erreichen eines vorgegebenen Grenzwertes dieses Betrages der Differenz, beispielsweise einem
Grenzwert von 0,5 %, wird die Funktionsunfähigkeit des Wasserstoffkonzentrationssensors 84 bestimmt und ein Warnsignal ausgegeben und/oder die Brennstoffzelleneinheit 1 für einen nachfolgenden Staat blockiert. Bei einem Unterschreiten dieses vorgegebenen Grenzwertes wird auf die Funktionsfähigkeit des Wasserstoffkonzentrationssensors 84 geschlossen. Der Brennstoffkonzentrationssensor 83 weist eine Fehlertoleranz von maximal 0,4 % oder 0, 5 % auf. Vor dem Starten des ersten Verfahrens zur Prüfung der Funktionsfähigkeit des Brennstoffkonzentrationssensors 83 wird kurzzeitig, beispielsweise für 5 bis 30 Sekunden, ausschließlich die Umgebungsluft durch die Abgasleitung 77 geleitet, so dass Rückstände an Brennstoff in der Abgasleitung 77 vor dem Start des ersten Verfahrens ausgespült sind.
Das zweite Verfahren zur Prüfung der Funktionsfähigkeit des Brennstoffkonzentrationssensors 83 wird während des Betriebes der Brennstoffzelleneinheit 1 zur Erzeugung von elektrischer Energie ausgeführt. Während des Betriebes der Brennstoffzelleneinheit 1 zur Erzeugung von elektrischer Energie ist das erste Oxidationsmittelventil 81 geschlossen und das zweite Oxidationsmittelventil 82 ist geöffnet. Ferner wird Rezirkulationsbrennstoff in dem Rezirkulationssystem 65 durch die Rezirkulationsleitung 50 in einem Kreislauf geleitet. Dabei wird wiederholt, temporären und zeitlich begrenzt in sich wiederholenden Ablassvorgängen Rezirkulationsbrennstoff aus der Rezirkulationsleitung 50 in die Abgasleitung 77 und damit in die Umgebung geleitet, indem das Purgeventil 76 wiederholt, temporär und zeitlich begrenzt in sich wiederholenden Vorgängen geöffnet und anschließend wieder vollständig geschlossen wird. Das Öffnen des Purgeventils erfolgt beispielsweise alle 5 Sekunden für eine Zeitdauer von jeweils 0,5 Sekunden.
In 8 ist an dem unteren Diagramm an der Abszisse die Zeit t in Sekunden s aufgetragen und an der Ordinate der Volumenstrom Q, beispielsweise in Liter pro Sekunde (l/s), aufgetragen. Nur während der Zeitdauer des geöffneten Purgeventils 76 wird ein bestimmter Volumenstrom Q an Rezirkulationsbrennstoff von der Rezirkulationsleitung 50 in die Abgasleitung 77 eingeleitet und außerhalb der Zeitdauer des geöffneten Purgeventils 76 ist der Volumenstrom Q an Rezirkulationsbrennstoffes, der in die Abgasleitung 77 eingeleitet wird, 0. In dem in 8 oben dargestellten Diagramm ist an der Abszisse die Zeit t in Sekunden s aufgetragen und an der Ordinate die von dem Brennstoffkonzentrationssensor 83 erfasste Messkonzentration c an Wasserstoff in %. Mit Beginn des Öffnens des Purgeventils 76 steigt die erfasste Messkonzentration c stark an und nach dem Ende des Schließens des Purgeventils 76 sinkt die Messkonzentration c an Wasserstoff jeweils in Abhängigkeit von der Zeit t. Die Funktionsfähigkeit in dem zweiten Verfahren zur Prüfung der Funktionsfähigkeit des Brennstoffkonzentrationssensors 83 wird mittels des zeitlichen Verlaufes der von dem Brennstoffkonzentrationssensor 84 erfassten Messkonzentration an Wasserstoff in dem Abgas (Gas) als der zeitlich veränderlichen Mischung aus Kathodenabgas und Anodenabgas bestimmt. An dem zeitlichen Verlauf der Messkonzentration an Wasserstoff als dem funktionalen Zusammenhang werden mit mathematischen Methoden die lokalen Maxima der Messkonzentration bestimmt und deren Anzahl während eines vorgegebenen Prüfzeitraumes gezählt. Ferner wird während des identischen Prüfzeitraumes die Anzahl der temporären Ablassvorgänge von Rezirkulationsbrennstoff als der Anzahl der Öffnungen des Purgeventils 76 gezählt.
Zur Prüfung der Funktionsfähigkeit des Wasserstoffkonzentrationssensors 84 wird die Anzahl der lokalen Maxima der Wasserstoffkonzentration mit der Anzahl der Ablassvorgängen an Rezirkulationsbrennstoff verglichen für je eine identische Prüfungsdauer. Bei einer vollständigen Funktionsfähigkeit des Brennstoffkonzentrationssensors 83 ist die Anzahl der lokalen Maxima identisch der Anzahl der Ablassvorgängen für je eine Prüfungsdauer. Geringfügige Abweichungen zwischen der Anzahl der lokalen Maxima und der Anzahl der Ablassvorgänge für je eine Prüfdauer müssen nicht zwangsweise die Funktionsunfähigkeit des Brennstoffkonzentrationssensors 83 bedeuten. Aus diesem Grund wird der Betrag der Differenz zwischen der Anzahl der lokalen Maxima der Messkonzentration an Wasserstoff und der Anzahl der temporären Ablassvorgänge für je eine Prüfungsdauer erfasst und bei einem Überschreiten oder Erreichen eines Grenzwertes wird die Funktionsunfähigkeit des Brennstoffkonzentrationssensors 83 bestimmt. Bei einem Unterschreiten des Grenzwertes wird die Funktionsfähigkeit des Brennstoffkonzentrationssensors 83 bestimmt. Der Grenzwert ist beispielsweise die Anzahl 5. Vorzugsweise ist der Grenzwert und/oder der Prüfungszeitraum für das zweite Verfahren dahingehend bestimmt, dass die Anzahl der temporären Ablassvorgänge wenigstens um das 2-Fache, 3-Fache oder 5-Fache größer ist als der Grenzwert während des Prüfungszeitraums. Das zweite Verfahren wird während des Betriebes der Brennstoffzelleneinheit 1 zur Erzeugung von elektrischer Energie ständig ausgeführt mit aufeinander folgenden Prüfzyklen mit jeweils einem Prüfungszeitraum.
Insgesamt betrachtet sind mit dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Prüfung der Funktionsfähigkeit des Brennstoffkonzentrationssensors 83 und der erfindungsgemäßen Brennstoffzelleneinheit 1 wesentliche Vorteile verbunden. Für keines der beiden Verfahren zur Prüfung der Funktionsfähigkeit des Brennstoffkonzentrationssensors 83 wird Brennstoff verbraucht ohne Nutzung zum Betrieb der Brennstoffzelleneinheit 1. Mit dem ersten Verfahren kann die Funktionsfähigkeit des Brennstoffkonzentrationssensors 83 vor und nach dem Betrieb der Brennstoffzelleneinheit 1 mit Umgebungsluft geprüft werden.
Insbesondere die Prüfung der Funktionsfähigkeit des Brennstoffkonzentrationssensors 83 vor dem Start der Brennstoffzelleneinheit 1 ist vorteilhaft, weil dadurch der Start der Brennstoffzelleneinheit 1 mit einem funktionsunfähigen und beschädigten Brennstoffkonzentrationssensor 83 verhindert werden kann. Darüber hinaus kann mit dem zweiten Verfahren die Funktionsfähigkeit des Brennstoffkonzentrationssensors 83 ständig während des Betriebes der Brennstoffzelleneinheit 1 geprüft werden ohne dass dafür zusätzlich Brennstoff verbraucht oder benötigt wird nur für die Prüfung der Funktionsfähigkeit des Brennstoffkonzentrationssensors 83.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102008055803 B4 [0005]
DE 102011103403 B4 [0006]

Claims

Verfahren zur Prüfung der Funktionsfähigkeit eines Brennstoffkonzentrationssensors (83), welcher die Konzentration von Brennstoff in einer Abgasleitung (77) für eine Brennstoffzelleneinheit (1) erfasst, mit den Schritten: - Leiten von Gas durch die Abgasleitung (77) und von der Abgasleitung (77) in die Umgebung, - Erfassen der Konzentration an Brennstoff in dem durch die Abgasleitung (77) geleiteten Gas mit einem Brennstoffkonzentrationssensor (83), - Ausführen eines Prüfzyklus, so dass während des Prüfzyklus die Funktionsfähigkeit des Brennstoffkonzentrationssensors (83) geprüft wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Funktionsfähigkeit des Brennstoffkonzentrationssensors (83) während des Prüfzyklus geprüft wird ohne dass mit einem Injektor (19) während des Prüfzyklus Brennstoff aus einem Brennstoffspeicher (21) in die Abgasleitung (77) mittelbar oder unmittelbar eingeleitet wird nur für das Ausführen des Prüfzyklus.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass während der Ausführung des Prüfzyklus ein Prüfgas mit einer bekannten Prüfkonzentration an Brennstoff durch die Abgasleitung (77) geleitet wird und mit dem Brennstoffkonzentrationssensor (83) die Konzentration des Brennstoffes in dem Prüfgas als Messkonzentration erfasst wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass zur Prüfung der Funktionsfähigkeit des Brennstoffkonzentrationssensors (83) die Messkonzentration des Brennstoffes mit der Prüfkonzentration des Brennstoffes verglichen wird.
Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass zur Prüfung der Funktionsfähigkeit des Brennstoffkonzentrationssensors (83) der Betrag der Differenz aus der Messkonzentration des Brennstoffes und der Prüfkonzentration des Brennstoffes bestimmt wird und bei einem Überschreiten oder Erreichen eines vorgegebenen Grenzwertes des Betrages dieser Differenz die Funktionsunfähigkeit des Brennstoffkonzentrationssensors (83) bestimmt wird.
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zur Prüfung der Funktionsfähigkeit des Brennstoffkonzentrationssensors (83) der Betrag der Differenz aus der Messkonzentration des Brennstoffes und der Prüfkonzentration des Brennstoffes bestimmt wird und bei einem Unterschreiten eines vorgegebenen Grenzwertes des Betrages dieser Differenz die Funktionsfähigkeit des Brennstoffkonzentrationssensors (83) bestimmt wird.
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass als das Prüfgas mit der bekannten Prüfkonzentration an Brennstoff durch die Abgasleitung (77) im Wesentlichen Umgebungsluft mit einer Prüfkonzentration an Brennstoff von im Wesentlichen 0 % geleitet wird.
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass mit einer Gasfördereinrichtung (22) Umgebungsluft, insbesondere ausschließlich Umgebungsluft, durch die Abgasleitung (77) als das Prüfgas geleitet wird.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Umgebungsluft als das Prüfgas ohne Durchleitung durch einen Brennstoffzellenstapel (40) durch die Abgasleitung (77) geleitet wird.
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren vor und/oder nach dem Betrieb der Brennstoffzelleneinheit (1) zur Erzeugung von elektrischer Energie ausgeführt wird.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass während der Ausführung des Prüfzyklus der Betrieb der Brennstoffzelleneinheit (1) zur Erzeugung von elektrischer Energie ausgeführt wird und ein Leiten von Rezirkulationsbrennstoff durch ein Rezirkulationssystem (65) mit einer Rezirkulationsleitung (50) zur Rezirkulation des aus Kanälen (12) für Rezirkulationsbrennstoff in einem Brennstoffzellenstapel (40) ausgeleiteten Rezirkulationsbrennstoffes wieder zurück in die Kanäle (12) für Rezirkulationsbrennstoff ausgeführt wird und wiederholt temporäre, zeitlich begrenzte Ablassvorgänge von Rezirkulationsbrennstoff aus dem Rezirkulationssystem (65) durch die Abgasleitung (77) in die Umgebung mit einem Purgeventil (76) ausgeführt werden und mit dem Brennstoffkonzentrationssensor (83) die Messkonzentration von Brennstoff in dem Abgas der Abgasleitung (77) in Abhängigkeit von der Zeit erfasst wird.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Funktionsfähigkeit des Brennstoffkonzentrationssensors (83) mittels des zeitlichen Verlaufes der Messkonzentration von Brennstoff in dem Abgas der Abgasleitung (77) bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass aus dem zeitlichen Verlauf der Messkonzentration an Brennstoff in dem Abgas der Abgasleitung (77) lokale Maxima der Messkonzentration an Brennstoff bestimmt werden und die Anzahl der lokalen Maxima der Messkonzentration an Brennstoff während je eines Prüfzeitraumes gezählt werden.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Funktionsfähigkeit des Brennstoffkonzentrationssensors (83) bestimmt wird indem die Anzahl der lokalen Maxima der Messkonzentration an Brennstoff mit der Anzahl der temporären Ablassvorgänge von Rezirkulationsbrennstoff aus dem Rezirkulationssystem (65) durch die Abgasleitung (77) in die Umgebung mit dem Purgeventil (76) verglichen wird während je eines identischen Prüfzeitraumes.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennstoff Wasserstoff ist, der Brennstoffkonzentrationssensor (83) ein Wasserstoffkonzentrationssensor (84) ist und der Brennstoffspeicher (21) ein Wasserstoffspeicher (21) ist.
Brennstoffzelleneinheit (1) zur elektrochemischen Erzeugung von elektrischer Energie, umfassend - gestapelt angeordnete Brennstoffzellen (2) und die Brennstoffzellen (2) jeweils gestapelt angeordnete schichtförmige Komponenten (5, 6, 7, 8, 9, 10) umfassen, so dass die gestapelten Brennstoffzellen (2) einen Brennstoffzellenstapel (40) bilden, - in den Brennstoffzellenstapel (40) integrierte Kanäle (12) für Rezirkulationsbrennstoff, - eine Abgasleitung (77) zur Ableitung von Kathodenabgas und Anodenabgas, - einen Brennstoffkonzentrationssensor (83) zur Erfassung der Konzentration von Brennstoff in der Abgasleitung (77) der Brennstoffzelleneinheit (1), dadurch gekennzeichnet, dass mit der Brennstoffzelleneinheit (1) ein Verfahren gemäß einem oder mehrerer der vorhergehenden Ansprüche ausführbar ist.