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Die vorliegende Erfindung betrifft
ein Verfahren zur Untersuchung eines Brennstoffzellensystems bestehend
aus mindestens einer Brennstoffzelle mit einer Anodenseite, der
im Betrieb ein Brennstoff zugeführt
wird und einer Kathodenseite, die von der Anodenseite durch eine
Membran getrennt ist und der im Betrieb ein Oxidationsmittel zugeführt wird,
um mindestens eine der nachfolgenden Prüfungen durchzuführen:
- a) zu prüfen,
ob das Brennstoffzellensystem auf der Anodenseite und/oder auf der
Kathodenseite gasdicht ist,
- b) zu prüfen,
ob eine Leckage zwischen der Anodenseite und der Kathodenseite des
Brennstoffzellensystems gegeben ist,
- c) das Anlassverhalten des Brennstoffzellensystems zu prüfen,
- d) den Betrieb des Brennstoffzellensystems bei niedriger Stromausbeute
zu prüfen.
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Ferner betrifft die vorliegende Erfindung
eine Vorrichtung zur Untersuchung eines Brennstoffzellensystems
zur Durchführung
einer der oben angegebenen Prüfungen.
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Die Prüfung eines Brennstoffzellensystems im
Hinblick auf mögliche
Leckagen sowie beim erstmaligen Anlassen nach Fertigstellung des
Brennstoffzellensystems bzw. nach einer durchgeführten Reparatur eines Fahrzeugs
oder anderer Einrichtungen, die im Brennstoffzellensystem integriert
sind bzw. bei erstmaliger Inbetriebnahme eines Fahrzeuges oder eines
Gerätes,
in dem ein Brennstoffzellensystem eingebaut ist, sowie während der
Entwicklung eines Brennstoffzellensystems benötigt eine Wasserstoffquelle
sowie ausführliche
Prüfungen.
Die Prüfung
mit Wasser stoff erfordert sehr aufwendige Maßnahmen in den Prüfräumen. Zum
Beispiel müssen
solche Prüfräume mit
Belüftungssystemen
ausgestattet werden, die bei hohen Luftdurchsätzen arbeiten. Es sind verschiedene
Wasserstoffdetektoren sowie zusätzliche
Abschalteinrichtungen erforderlich, um etwaige Wasserstoffleckagen
zu detektieren und im Falle einer festgestellten Leckage den Prüfraum sowie
die gesamte darin vorhandene Installation abzuschalten. Darüber hinaus
müssen
sämtliche
elektrische Anlagen, die sich in den Prüfräumen befinden, besonders gegen
Funkenbildung geschützt
werden, um Wasserstoffexplosionen zu verhindern. Nur gut ausgebildete,
besonders geschulte Personen können
und dürfen
unter solchen Bedingungen in den entsprechenden Prüfräumen arbeiten.
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Selbst wenn bei der Entwicklung von
Brennstoffzellensystemen und Fahrzeugen und Geräten, die solche Brennstoffzellensysteme
beinhalten, solche aufwendigen Maßnahmen in Prüfräumen bereits getroffen
worden sind, wird die Massenherstellung von Brennstoffzellensystemen
bzw. von Fahrzeugen oder anderen Geräten, die solche Brennstoffzellensysteme
beinhalten, kaum mit den gegenwärtigen Maßnahmen
durchführbar
sein und es besteht auch eine besondere Problematik, wenn beispielsweise ein
Fahrzeug mit einem Brennstoffzellensystem zukünftig in einer Autowerkstatt
repariert werden muss.
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Für
die gegenwärtige
Leckageprüfungen
an Brennstoffzellensystemen wird Helium anstelle von Wasserstoff
verwendet, da dies ähnliche
Diffusionseigenschaften wie der bevorzugte Brennstoff, d.h. Wasserstoff
hat, relativ dünnflüssig ist
und es ermöglicht,
vorhandene Leckagen mit Heliumdetektoren zu erfassen. Für Tests,
die sich mit dem Anlassen oder der Inbetriebnahme von Brennstoffzellensystemen bzw.
Fahrzeugen oder Geräten
mit Brennstoffzellensystemen befassen, ist es aber erforderlich,
das System mit Wasserstoff zu prüfen,
wodurch die oben erwähnten
aufwendigen Maßnahmen
getroffen werden müssen,
um die Möglichkeit
einer explosiven Gasmischung im Falle einer unbeabsichtigten Wasserstoffleckage
zu vermeiden.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung
ist es, ein Verfahren bzw. eine Vorrichtung der eingangs genannten
Art vorzusehen, das bzw. die es ermöglicht, mit Wasserstoff oder
anderen Brennstoffen zu arbeiten und dennoch besonders aufwendige
Maßnahmen
im jeweiligen Prüfraum
mit Sicherheit zu vermeiden, wobei die erforderlichen Arbeiten von
weniger gut ausgebildeten bzw. geschulten Personen durchführbar sein
sollen.
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Um diese Aufgabe verfahrensmäßig zu lösen, wird
erfindungsgemäß vorgesehen,
dass die jeweilige Prüfung
mit einer Mischung mindestens eines Inertgases mit mindestens einem
für den
Betrieb der Brennstoffzellen zulässigen
Brennstoff durchgeführt wird,
die der Anodenseite des Brennstoffzellensystems zugeführt wird
und die Mischung so gewählt wird,
dass der Anteil an Brennstoff unterhalb eines Wertes liegt, bei
dem die Mischung in Luft entflammbar ist.
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Vorrichtungsmäßig zieht die Erfindung vor, dass
die Vorrichtung aus folgenden Bauteilen besteht: aus einer Einrichtung,
die eine Mischung mindestens eines Inertgases mit mindestens einem
für den
Betrieb der Brennstoffzelle(n) zulässigen Brennstoff liefert,
aus einer Anschlussleitung, die von dieser Einrichtung zu einem
Einlass auf der Anodenseite der Brennstoffzelle(n) führt und
aus einer Einrichtung, die ausgelegt ist, zu ermitteln, ob die Gasmischung
in unzulässiger
Weise entweicht.
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Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass
für Gasmischungen,
die aus einem brennbaren Gas und einem Inertgas bestehen, es stets
eine Mischung mit einem bestimmten Anteil vom brennbaren Gas gibt,
die in Luft als nicht mehr zündfähig gilt.
Es wird in diesem Zusammenhang auf die ISO-Norm 10156 verwiesen.
Ferner beruht die Erfindung auf der Erkenntnis, dass es möglich ist,
ein Brennstoffzellensystem mit einer entsprechenden Gasmischung
mit einem niedrigen Anteil an Brennstoff in der Gasmischung zu betreiben
und dennoch nützliche
Information über
etwaige vorhandene Leckagen bzw. Leistungsdaten des Brennstoffzellensystems
zu gewinnen.
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Die Erfindung führt zu einer Reihe von Vorteilen,
unter anderem:
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– das
gesamte System kann für
Leckagen geprüft
werden, in einer Umgebung, die nicht als explosionsgeschützt gilt,
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– das
Brennstoffzellensystem kann anfänglich
mit beschränkter
Leistungsabgabe (elektrische Leistungsabgabe) in einer Umgebung
betrieben werden, die nicht als explosionsgeschützt gilt,
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– keine
besonderen Ausgaben sind erforderlich, um bestehende Prüfstände und
Räumlichkeiten für Fahrzeuge
zu modifizieren, um Brennstoffzellenfahrzeuge zu prüfen,
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– der
Bedarf an Umgebungen, die explosionsgeschützt sind und besondere Anlassvorkehrungen
benötigen,
können
wesentlich reduziert werden,
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– das
Anlassen von Brennstoffzellensystemen bzw. Fahrzeugen bzw. Geräten mit
Brennstoffzellensystemen kann weitgehend von Personen durchgeführt werden,
die keine besondere Ausbildung in Bezug auf wasserstoffgefährdete Umgebungen
benötigen,
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– Wasserstoffleckagen
können
auch bei Verwendung einer Gasmischung mit einem Inertgas einfach
unter Anwendung von herkömmlichen,
auf dem Markt erhältlichen
Wasserstoffsensoren detektiert werden,
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– unbeabsichtigte
Ansammlungen von Wasserstoff werden vermieden,
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– ein
Risiko, das von der Zündung
von Wasserstoff ausgeht, ist nicht gegeben, selbst bei schwerwiegenden
Fehlerquellen, wie platzende Bauteile, die zu einer exzessiven Freigabe
der Testgasmischung führen,
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– das
gesamte Verfahren wird wesentlich sicherer mit entsprechenden Vorteilen,
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– ein
relativ billiges Prüfgas
kann verwendet werden, wodurch weitere Kostenersparnisse möglich sind.
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Nur eine Gasart, nämlich die
Gasmischung, muss dem System zugeführt werden, so dass Leckageprüfungen und
Anlassprüfungen
mit diesem einen Gas durchgeführt
werden können,
und zwar auch zeitgleich, wodurch weitere Kostenersparnisse erzielbar
sind.
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Es könnte höchstens eventuell notwendig werden,
Behälter,
die zum Brennstoffzellensystem gehören und im normalen Betrieb
für die
Wasserstoffspeicherung bei tiefen Temperaturen sorgen, mit einem
Inertgas, wie Helium, zu spülen
oder zu verhindern, dass das Testgas in diesen Behälter kommt.
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Besonders günstig ist es, wenn das Verfahren
durchgeführt
wird mit einer Gasmischung, die Stickstoff für das Inertgas und Wasserstoff
für den Brennstoff
enthält,
wobei die Mischung weniger als 5,7 Vol.-% bzw. mol.-% Wasserstoff
und Stickstoff enthalten muss. Besonders günstig ist es, wenn als Mischung
Formiergas mit zumindest im Wesentlichen 95 % N2 und
5 % H2 verwendet wird. Formiergas ist bereits
bei der Herstellung von Halbleitern in entsprechenden Industrieanlagen
verwendet und daher preisgünstig
erhältlich.
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Das Verfahren wird üblicherweise
in einer Umgebung mir normaler Belüftung durchgeführt. Das Verfahren
kann so durchgeführt
werden, dass die Prüfungen
a), b), c) und/oder d) während
oder nach der Herstellung eines das Brennstoffzellensystem als Antriebsquelle
verwendenden Fahrzeugs durchgeführt
werden, um die Betriebsfähigkeit
des Fahrzeugs zum Zeitpunkt der Herstellung zu prüfen. Ferner
kann das Verfahren in einer Werkstatt nach Reparatur eines Brennstoffzellenfahrzeugs
durchgeführt
werden, so dass auch Werkstätten,
die für
die Reparatur von Pkws mit herkömmlichen
Verbrennungsmotoren ausgerüstet
sind, ohne weiteres auch Brennstoffzellenfahrzeuge reparieren können.
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Das Verfahren kann aber auch zu einem Zeitpunkt,
bei dem das Brennstoffzellensystem als Modul vorliegt, durchgeführt werden.
Es kann daher bereits bei der Herstellung des Brennstoffzellensystems
vor dem Einbau des Moduls in ein Kraftfahrzeug oder in eine andere
Installation durchgeführt
werden. Das Verfahren kann aber auch an einem Prüfstand bei der Entwicklung
eines Brennstoffzellensystems durchgeführt werden. Wenn mehrere Brennstoffzellen
zu einem Brennstoffzellenstapel zusammengesetzt sind, kann die Prüfung oder
die Prüfungen
am Brennstoffzellenstapel vorgenommen werden.
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Eine Möglichkeit, das erfindungsgemäße Verfahren
durchzuführen
und Leckagen festzustellen, insbesondere die Prüfung a) durchzuführen, besteht
darin, die Gasmischung bis zu einem vorgebbaren Prüfdruck,
der beispielsweise bis zum Faktor 2 über dem vorgesehenen Betriebsdruck
liegt, in das Brennstoffzellensystem durch einen vorgesehenen Eingang
bei zeitgleichem oder vorherigem oder nachherigem Schließen aller
sonstigen Ein- und Ausgänge
aus denen der Austritt der Gasmischung in Frage käme, einzuführen und
zu messen, ob der Prüfdruck
als Funktion der Zeit unzulässig
nachlässt.
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Es besteht auch die Möglichkeit,
die Gasmischung in das Brennstoffzellensystem einzuspeisen und die
eingespeiste Gasmenge zu messen, alle relevanten ein- und ausschaltbaren
Ventile sowie alle Regelventile nach einem vorgegebenen Muster bzw. in
einer vorgegebenen Reihenfolge ein- und auszuschalten und die Summe der
durch die vorgesehenen Leitungen aus dem Brennstoffzellensystem
austretenden Gasmengen zu messen und mit der eingespeisten Gasmenge
zu vergleichen, um etwaige Leckagen, die sich als Differenzwert
darstellen, festzustellen. Bei diesen Prüfungen kann die zeitliche Entwicklung
des Differenzwertes mit einem vorgegebenen Muster verglichen werden,
um eventuell vorhandene Leckagen einer Leckagequelle oder mehrerer Leckagequellen
zuzuordnen. Das Verfahren kann auch so durchgeführt werden, dass die Brennstoffzellen
bei der Durchführung
der Prüfung
oder vor der Durchführung
der Prüfung
auf Betriebstemperatur bzw. auf eine maximal zulässige Übertemperatur erwärmt werden.
Jedoch wird berücksichtigt,
dass Leckagen im Betrieb eher zu erwarten sind, wenn das Brennstoffzellensystem
die Betriebstemperatur erreicht oder überschritten hat.
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Bei der Entwicklung eines Brennstoffzellensystems
kann mindestens ein Langzeittest unter Anwendung des Verfahrens
durchgeführt
werden. Ein solcher Langzeittest umfasst beispielsweise eine Vielzahl
von Ein- und Ausschaltvorgängen
von ein- und ausschaltbaren Ventilen sowie Regelwertänderungen
von Regelventilen. Ein solcher Langzeittest kann auch eine Vielzahl
von Erwärmungen
und Abkühlungen
des Brennstoffzellensystems umfassen, die beispielsweise die ständige Anwärmung und
Abkühlung
von Brennstoffzellensystemen in Kraftfahrzeugen bei der Benutzung
von Kraftfahrzeugen simulieren, da Leckagen aufgrund der Temperaturzyklen
eher zu erwarten sind.
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Eine besondere Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens
liegt darin, eine Zuordnung zu entwickeln zwischen der vom Brennstoffzellensystem erzeugten
elektrischen Leistung bei Zufuhr einer vorgegebenen Menge der Gasmischung
an das Brennstoffzellensystem und der Leistungsabgabe des gleichen
Brennstoffzellensystems bzw. eines Brennstoffzellensystems der gleichen
Art bei Zufuhr der in Betrieb bei einem vorgegebenen Betriebspunkt
oder bei mehreren vorgegebenen Betriebspunkten (charakteristische
diskontinuierliche Messungen) vorgesehenen Brennstoffmenge bzw.
-mengen, wobei geprüft wird,
ob die bei der Zufuhr der Gasmischung erzeugte Leistungsabgabe der
erwarteten Leistungsabgabe entspricht, woraus geschlossen wird,
dass im Betrieb bei Zufuhr der vorgesehenen Brennstoffzellenmenge die
gewünschte
elektrische Leistung bei dem vorgegebenen Betriebspunkt oder bei
den vorgesehenen Betriebspunkten zu erwarten ist.
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Diese Art der Prüfung zielt darauf, eben eine vorbestimmte
Menge, sprich Gewicht, der Gasmischung, dem Brennstoffzellensystem
zuzuführen
und dieses solange arbeiten zu lassen, bis diese Gasmischung vollständig oder
zu einem vorbestimmten Teil verbraucht ist.
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Eine andere Möglichkeit, eine ähnliche
Prüfung
durchzuführen,
liegt darin, eine Zuordnung zu entwickeln zwischen der vom Brennstoffzellensystem
erzeugten elektrischen Leistung bei Zufuhr eines vorgegebenen Durchsatzes
(Massenstroms) der Gasmischung an das Brennstoffzellensystem und der
Leistungsabgabe des gleichen Brennstoffzellensystems bzw. eines
Brennstoffzellensystems der gleichen Art bei Zufuhr des im Betrieb
bei einem vorgegebenem Betriebspunkt oder bei mehreren vorgesehenen
Betriebspunkten vorgesehenen Brennstoffdurchsatzes (kontinuierliche
Messung), wobei geprüft
wird, ob die bei Zufuhr der Gasmischung erzeugte Leistungsabgabe
der erwarteten Leistungsabgabe entspricht, woraus geschlossen wird,
dass im Betrieb bei Zufuhr der vorgesehenen Brennstoffmenge die
gewünschte
elektrische Leistung bei dem vorgegebenem Betriebspunkt oder bei
den vorgesehenen Betriebspunkten zu erwarten ist.
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Bei der Durchführung dieser Prüfungen kann bei
der Zufuhr der vorgegebenen Menge der Gasmischung bewusst eine andere
Arbeitsweise gewählt werden
als im Betrieb mit der vorgesehenen Brennstoffmenge für den entsprechenden
Arbeitspunkt. Wird beispielsweise während des Betriebs eine Rezirkulation
des zugeführten
Brennstoffs auf der Anodenseite vorgenommen, kann bei der Prüfung auf eine
solche Rezirkulation verzichtet werden. Diese Variante berücksichtigt,
dass das Vorhandensein des Inertgases ohnehin für die Prüfung der Leistungsabgabe ungünstig ist
und beispielsweise im Falle einer Rezirkulation die Konzentration
des Inertgases noch ansteigen wird aufgrund des Stickstoffs, der
von der Kathodenseite des Brennstoffzellensystems zu der Anodenseite
durch die entsprechenden Membrane wandert. Durch die Vermeidung
der Rezirkulation während
der Prüfung
des Brennstoffzellensystems kann dieser ungünstigen Entwicklung entgegengetreten
werden, da etwaiger Stickstoff, der von der Kathodenseite zu der
Anodenseite hindurchdiffundiert, mit dem Abgasstrom der Anodenseite
des Brennstoffzellensystems gleich mit abgeführt wird und kann daher zu
keiner erhöhten
Stickstoffkonzentration führen.
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Obwohl das Vorhandensein des Inertgases zu
einer deutlichen Herabsetzung der Leistungsfähigkeit des Brennstoffzellensystems
führt,
können
erfindungsgemäß dennoch
Korrelationen, d.h. die oben erwähnten
Zuordnungen, aufgestellt werden, die es ermöglichen, Rückschlüsse über die Leistung des Brennstoffzellensystems
im normalen Betrieb mit normalem Brennstoff und dem Betrieb unter
den Prüfbedingungen
zu ziehen, die Aussagen auf die Qualität und Funktionsfähigkeit
des geprüften
Brennstoffzellensystems im normalen Betrieb erlauben.
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Eine weitere erfindungsgemäße Möglichkeit der
Durchführung
des Verfahrens besteht darin, dass nach erfolgreich abgeschlossener
Prüfung
mit der Gasmischung der Anteil an Brennstoff erhöht wird und eine erneute Prüfung durchgeführt wird,
bspw. ob eine höhere
oder die volle Leistungsabgabe des Brennstoffzellensystems ohne
Inertgasanteil oder bei deutlich oder progressiv reduziertem Inertgasanteil erreichbar
ist.
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Eine andere Möglichkeit Leckagen festzustellen,
liegt darin, mindestens einen Brennstoffsensor und/oder Inertgassensor
zu verwenden, um etwaige Leckagen der Gasmischung festzustellen.
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Besonders bevorzugte Varianten der
Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert, die
in schematischer Form ein Brennstoffzellensystem 10 zeigt,
das entsprechend der Erfindung ausgelegt ist.
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Das Bezugszeichen 12 deutet
auf den Brennstoffzellenstapel, der aus mehreren einzelnen Brennstoffzellen
besteht, die schematisch mit 14 gekennzeichnet sind. Der
Brennstoffzellenstapel 12 weist eine Anodenseite 16 mit
Anodeneingang 18 und Anodenausgang 20 sowie eine
Kathodenseite 22 mit Kathodeneingang 24 und Kathodenausgang 26 auf.
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In an sich bekannter Weise weist
jede einzelne Brennstoffzelle 14 eine Anode, eine Kathode
und dazwischen eine Membran (nicht gezeigt) auf, wobei jede so genannte
MEA (Membrane Electrode Assembly) bestehend aus einer Anode, einer
Kathode und einer dazwischen angeordneten Membran, zwischen zwei
so genannten bipolaren Platten gehalten ist (ebenfalls nicht gezeigt).
Zwischen der einen bipolaren Platte und der Kathode sind Strömungskanäle für Sauerstoff
oder Luftsauerstoff vorgesehen, während zwischen der anderen
bipolaren Platte und der Anode ebenfalls Strömungskanäle vorgesehen sind, die für die Zufuhr
von Wasserstoff an die Anode sorgen.
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Die Strömungskanäle auf der Anodenseite der
Brennstoffzellen sind zusammengeschaltet, damit im Betrieb alle
Brennstoffzellen gleichzeitig mit Brennstoff über den Anodeneingang 18 versorgt
werden können,
wobei überschüssiger Wasserstoff
sowie andere Abgase der Brennstoffzellen, wie beispielsweise Wasser
in Dampfform und Stickstoff, der von dem auf der Kathodenseite gelieferten
Luftsauerstoff kommt, aus dem Brennstoffzellenstapel am Anodenausgang 20 über die
Leitung 55 herausgeführt werden
können.
Die Durchströmung
der Anoden der zusammen geschalteten Brennstoffzellen ist schematisch
in der Figur mit der Linie 28 gezeigt. In ähnlicher
Weise sind die Strömungspassagen
auf der Kathodenseite der Brennstoffzellen zusammen geschlossen,
um einen Strömungspfad 30 vom
Kathodeneingang 24 zum Kathodenausgang 26 im Brennstoffzellenstapel 12 zu
bilden, wobei die auf der Kathodenseite 22 anfallenden
Abgase über
die Leitung 25 in die Atmosphäre abgegeben werden können. Die
bipolaren Platten der einzelnen Brennstoffzellen 14 sind
in Reihe und/oder parallel zueinander geschaltet. Im Betrieb entsteht
eine Spannung an den zwei Ausgangsklemmen 32 und 34.
Diese Spannung steht nicht dargestellten Einrichtungen, z.B. für den Antrieb
eines Kraftfahrzeugs, in dem das Brennstoffzellensystem eingebaut
ist sowie für
den Antrieb von anderen Aggregaten, die zum Betrieb des Brennstoffzellensystems
notwendig sind, als Leistungsquelle zur Verfügung.
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Die Auslegung von Brennstoffzellenstapeln bzw.
der darin enthaltenen Brennstoffzellen sind bestens aus verschiedenen
Schriften bekannt, so dass es nicht notwendig ist, hier näher auf
die konkrete Auslegung des Brennstoffzellenstapels einzugehen.
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Wesentlich ist, dass der Anodenseite 16 des Brennstoffzellenstapels 12 ein
gasförmiger
Brennstoff zugeführt
werden muss, wobei im Falle der Verwendung von Wasserstoff als Brennstoff
der Wasserstoff von einer Quelle, hier in Form eines Wasserstofftanks 36,
entnommen wird. Konkret kommt der Wasserstoff vom Wasserstofftank 36 über ein
mechanisches Druckregelventil 38 sowie über ein Solenoid betätigtes Abschaltventil 40 und
ein manuell betätigbares
Absperrventil 42 zu einem Stellventil 44, das
den frischen Wasserstoff über
eine Leitung 46 dem Anodeneingang 18 des Brennstoffzellenstapels 12 zuführt. Anstatt
einen Wasserstofftank 36 als Wasserstoffquelle zu benutzen,
konnte ein wasserstoffreiches Synthesegas von einer Reformiereinheit (nicht
gezeigt) als Wasserstoffquelle dienen.
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Im Betrieb wird das Stellventil 44 bei
geöffneten
Ventilen 40 und 42 je nach der vom Fahrer des Kraftfahrzeugs
geforderten Leistung über
eine Steuerung 48 angesteuert, um den erforderlichen Massenstrom
an frischem Wasserstoff in die Anodenseite des Brennstoffzellenstapels 12 einzuspeisen.
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Gleichzeitig mit der lastabhängigen Ansteuerung
des Stellventils 44 durch die Steuerung 48 wird über die
Steuerung 48 ein Elektromotor 50 angesteuert,
der einen Kompressor 52 antreibt und Luftsauerstoff über eine
Leitung 54 und den Kathodeneingang 24 in die Kathodenseite 22 des
Brennstoffzellenstapels 12 einspeist.
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Im Brennstoffzellenstapel 12 wandern
Protonen, die vom zugeführten
Wasserstoff geliefert werden, von der Anodenseite 16 der
einzelnen Brennstoffzellen durch die Membran zu der Kathodenseite 22 und
reagieren an dort vorgesehenen Katalysatoren mit dem zugeführten Luftsauerstoff,
um Wasser zu bilden. Diese Reaktion führt dazu, das elektrische Spannungen
an den Bipolarplatten entstehen, die in summierter Form für die an
den Klemmen 32 und 34 abnehmbare Leistung sorgen.
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Während
der elektro-chemischen Reaktion in den einzelnen Brennstoffzellen
diffundieren Stickstoffmoleküle
von der Kathodenseite zur Anodenseite und verlassen die Anodenseite 16 über den
Anodenausgang 20 zusammen mit dem unverbrauchten Wasserstoff
und Wasserdampf. Diese Anodenabgase können kontinuierlich über ein
Anodenabgasventil 56 abgelassen werden. Sie werden dann
normalerweise zur Wärmegewinnung über eine
Leitung 57 einem katalytischen Brenner (nicht gezeigt)
zugeführt und
dort mit Luftsauerstoff zur Erzeugung von Wärme umgesetzt, wobei die nach
dem Brenner vorhandenen Abgase bestehend aus Stickstoff und Wasserdampf
bedenkenlos in die Atmosphäre
abgegeben werden können.
Die Anodengase können
auch einer Reformiereinheit zugeführt werden und dort für die Wärmeerzeugung
ausgenutzt werden, wenn eine solche Reformiereinheit zur Anwendung
gelangt. Das Anodenabgasventil 56 kann aber auch diskontinuierlich
geöffnet
werden, um von Zeit zu Zeit Abgase aus dem Brennstoffzellenstapel 12 abzulassen, beispielsweise
dann, wenn die Stickstoffkonzentration auf der Anodenseite des Brennstoffzellenstapels 12 auf
ein Niveau angestiegen ist, bei dem der effiziente Betrieb des Brennstoffzellenstapels
leiden würde.
Es ist auch bekannt, die Anodenabgase der Kathodenseite 22 des
Brennstoffzellenstapels 12 zuzuführen, damit der Wasserstoffanteil
auf der Kathodenseite direkt mit Sauerstoff zu Wasser reagiert und auf
diese Weise entsorgt wird, wobei die vorliegende Erfindung auch
mit einem solchen System anwendbar ist.
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Es besteht aber auch die Möglichkeit,
eine Rückführleitung
zwischen dem Anodenausgang 20 und dem Anodeneingang 18 vorzusehen,
und zwar mit einer Pumpe 60, die dafür sorgt, dass die rückgeführten Gase
ein angepasstes Druckniveau am Anodeneingang 18 aufweisen,
um die Strömung
aufrecht zu erhalten. Auch bei Anwendung einer solchen Rückführung oder
Rezirkulation kann ein Anteil der Anodenabgase entweder kontinuierlich
oder diskontinuierlich über
das Anodenabgasventil 56 und die Leitung 57 abgelassen
werden.
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In der Figur sind der Wasserstofftank 36,
das mechanische Druckregelventil 38, das Solenoid betätigte Abschaltventil 40 sowie
das manuell betätigbare
Absperrventil 42 in einem Rahmen 62 gezeigt. Da
dieses Teil häufig
von spezialisierten Zulieferern geliefert wird, ist es an sich bekannt.
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Das mechanische Druckregelventil 38 sorgt dafür, das höhere Druckniveau
P3 im Wasserstofftank 36, das beispielsweise bei 350 Bar
liegen kann, auf ein niedrigeres Druckniveau P2, das beispielsweise
nur etwas über
1 Bar liegen kann, herunter zu regeln.
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Bei einem solchen mechanischen Druckregelventil
wird über
eine Justierschraube 64 eine Feder 66, die eine
Kraft auf einen Kolben ausübt,
vorgespannt. Der Kolben treibt beispielsweise dann ein Ventilglied
an, das mit einem Gegenstück
oder Ventilsitz (nicht gezeigt) im mechanischen Druckregelventil
zusammenarbeitet und die eigentliche Regelfunktion ausübt. Solche
mechanischen Druckregelventile verfügen normalerweise über einen
Anschluss an die Atmosphäre,
der als Referenzdruck dient.
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Bei manchen Systemen 62,
wie sie vom Zulieferer erhalten werden können, wird auf der Tankseite
des Druckregelventils ein zweites mechanisches Druckregelventil
in Reihe mit dem hier gezeigten mechanischen Druckregelventil 38 vorgesehen,
da es schwierig ist, mit einem mechanischen Druckregelventil die
Herabsetzung des Drucks P3 von etwa 350 Bar auf etwas über 1 Bar
zu realisieren. Wenn ein zweites mechanisches Druckregelventil vorgesehen
ist, ist es auch vorgesehen, eine Steuerleitung von der Ausgangsseite
des mechanischen Druckregelventils 38 auf den Referenzeingang
des zweiten Druckregelventils zu führen.
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Eine Steuerleitung 70 führt in diesem
Beispiel von der Ausgangsseite des Stellventils 44 zum Referenzdruckeingang
des Druckregelventils 38, so dass, wenn der Druck an der
Brennstoffzellenseite des Stellventils 44 fällt, der
Referenzdruck am mechanischen Druckregelventil 38 ebenfalls
fällt.
Da die Kraft vom Referenzeingang in die gleiche Richtung wirkt wie
die Feder, führt
dies dazu, dass der Ausgangsdruck P2 des mechanischen Druckregelventils 38 und
daher auch der Druck auf der Eingangsseite des Stellventils 44 ebenfalls
fällt,
wodurch die Druckdifferenz am Stellventil 44 zwischen dessen
Eingangs- und Ausgangsseite kleiner wird. Hierdurch wird der Druckdifferenzbereich,
der vom Stellventil 44 beherrscht werden muss, stets klein
gehalten, was die Anforderungen an das Stellventil 44 herabsetzt. Dies
bedeutet nicht, dass die Druckdifferenz selbst klein sein muss,
sondern dass die Schwankungen der Druckdifferenz stets klein gehalten
werden sollen.
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Im Betriebsmodus, mit dem elektromagnetisch
betätigbaren
Abschaltventil 40 und dem Absperrventil 42 offen,
fordern die Anoden der Brennstoffzellen je nach Lastanforderung
Wasserstoffgas an. Dieses Wasserstoffgas wird von dem Ventil 44 eingestellt.
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Alternativ kann die Steuerleitung 70 des Druckregelventils 38 auch
an einen beliebigen Punkt auf der Kathodenseite des Brennstoffzellensystems angeschlossen
werden. Voraussetzung hierfür
ist, dass sich das Druckniveau der Kathode mit der Anode Phasengleich ändert, d.h.,
die Druckdifferenz zwischen Kathode und Anode bis auf Sensorfehler
konstant bleibt.
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Verschiedene Möglichkeiten, die Steuerleitung 70 an
das Brennstoffzellensystem anzuschließen, sind durch die Stichleitungen,
die mit dem Bezugszeichen 70A, 70B, 70C, 70D, 70E und 70F bezeichnet
sind, angedeutet.
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Zum Zwecke der vorliegenden Erfindung wird
zusätzlich
zu der Wasserstoffquelle in Form des Wasserstofftanks 36 eine
Quelle einer Gasmischung aus H2 und N2 vorgesehen in Form einer Tankanlage 100.
Die Tankanlage 100 ist über
eine Leitung 102, ein steuerbares Regelventil 104 mit
Ein-/Ausschaltfunktion sowie eine weitere Leitung 106 mit
dem Wasserstofftank 36 verbunden. Das Ventil 104 kann von
einer externen Steuerung 108 angesteuert werden, und zwar über die
Leitung 110. Die externe Steuerung 108 ist mit
der internen Steuerung 48 des Brennstoffzellensystems über eine
Leitung 112 verbunden, damit das Brennstoffzellensystem,
auf einen Prüfstand
montiert oder in einem Kraftfahrzeug oder in einem anderen Gerät eingebaut,
unter Anwendung der von der Steuerung 48 kontrollierten
Funktionen geprüft
werden kann. Die externe Steuerung kann in Form eines mit entsprechenden
Programmen ausgestatteten Rechners realisiert werden.
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Die Leitung 114, die vom
Ventil 104 zur Leitung 72 führt, ist eine alternative Möglichkeit,
die Prüfgasmischung
aus dem Tank 100 in das Brennstoffzellensystem einzuspeisen,
d.h. die Leitung 114 stellt eine Alternative zu der Leitung 106 dar.
Die Leitung könnte
auch stromab des Ventils 44 oder an anderen Stellen der
Anodenseite des Brennstoffzellensystems an dieser angeschlossen
werden.
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Im gestrichelten Kasten 120 wird
eine Alternative für
die Lieferung einer Gasmischung über
eine Leitung 122 an das Ventil 104 gezeigt. Im
Kasten
120 sind nämlich
Wasserstoff- und Stickstoffquellen 124, 126 vorgesehen,
mit jeweiligen Ventilen 128, 130 in Form von Regelventilen
mit Ein- und Ausschaltfunktion, die über Steuerleitungen 132, 134 von
der externen Steuerung 108 angesteuert werden können, um eine
erwünschte
Gasmischung aus H2 und N2 zu
erzeugen. Diese Gasmischung wird dann über die Leitung 122 dem
Ventil 104 zugeführt,
anstelle der Zuführung
von der Tankanlage 100. Das in Kästchen 120 gezeigte
Beispiel hat den besonderen Vorteil, dass man zunächst die
Gasmischung so einstellen kann, dass sie einen Brennstoffanteil
H2 von beispielsweise 5 % und einen Stickstoffanteil
N2 von 95 % hat und daher unter der Zündfähigkeitsgrenze
für diese
Mischung in Luft liegt. Wenn die Leckageprüfungen abgeschlossen sind und
dann feststeht, dass Leckagen nicht zu befürchten sind, so kann die Mischung
stufenweise oder kontinuierlich verändert werden, um das Brennstoffzellensystem
mit Gasmischungen zu prüfen,
die wohl oberhalb der zündfähigen Grenze
liegen.
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In der Zeichnung eingezeichnet sind
ferner Wasserstoffdetektoren 116a bis 116i, die
jeweilige Anschlüsse 118a bis 118i aufweisen,
die an die externe Steuerung 108 angeschlossen sind. Somit
kann der Sensor 116A Wasserstoffleckagen im Bereich des
Ventils 104, der Tankanlage 100 bzw. der Mischanlage 120 detektieren.
Der Sensor 116B kann Wasserstoffleckagen im Bereich des
Wasserstofftanks 36 feststellen, wenn diese vor der Füllung mit
Wasserstoff über
die Leitung 106 mit der Gasmischung von der Tankanlage 100 bzw.
der Mischanlage 120 gefüllt wird.
Der Sensor 116C kann Leckagen im Bereich des Ablassventils 56 feststellen,
wenn dieses geschlossen oder geöffnet
ist. Der Sensor 116D ist am Kathodenausgang 20 des
Brennstoffzellenstapels 12 angeordnet und kann dort auftretende
Leckagen feststellen. Ferner kann der Sensor 116E Leckagen
im allgemeinen Bereich der Anodenseite 16 des Brennstoffzellenstapels
sowie im Bereich der Rezirkulationspumpe 60 feststellen.
Der Sensor
118F kann Wasserstoffleckagen im Bereich des
Anodeneingangs 18 bzw. im Bereich des Regelventils 44 feststellen.
Der Sensor 116G ist so positioniert, dass er Leckagen im
allgemeinen Bereich des Brennstoffzellenstapels 12 feststellen
kann. Der Sensor 116H kann eventuell beim Kathodenausgang
austretenden Wasserstoff detektieren, wenn solcher Wasserstoff aufgrund
einer internen Leckage oder einer defekten Membran von der Anodenseite
zu der Kathodenseite durchsickert. Entsprechend kann der Sensor 116I Wasserstoffleckagen
feststellen, die zu Wasserstoffaustritten am Kathodeneingang 24 führen. Die
angegebenen Sensoren sind lediglich beispielhaft angegeben. Weitere
oder weniger Sensoren können
je nach Bedarf an strategischen Stellen vorgesehen werden. Die angegebenen
Sensoren oder weitere Sensoren können
auch zum Detektieren von Inertgasleckagen ausgelegt werden, insbesondere,
wenn ein Inertgas, außer
Stickstoff, zur Anwendung gelangt. Die Anwendung von Sensoren für Stickstoff wäre deshalb
problematisch, weil die Umgebungsluft zu etwa 80 % aus Stickstoff
besteht.
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Die Durchführung der Prüfung wird
von der externen Steuerung 108 gesteuert. Beispielsweise kann
die externe Steuerung 108 über die Leitung 110 bzw. über die
Leitungen 132 und 134 und das Ventil 104 die
Gasmischung in den Wasserstofftank 36 einführen oder über die
Leitungen 114, 72 der Anodenseite des Brennstoffzellensystems
zuführen.
Dabei können
alle anderen Ventile im System, wie beispielsweise das Ventil 56, über die
Kopplung 112 mit der Steuerung 48 geschlossen
werden, damit das Brennstoffzellensystem als abgeschlossen gilt,
bis auf die Öffnung
des Ventils 44, die notwendig ist, um die Prüfmischung
der Anodenseite des Brennstoffzellensystems einzufüllen. Danach
kann das Ventil 44 auch geschlossen werden und man kann
sehen, ob der eingefüllte
Prüfdruck
mit der Zeit unzulässig nachlässt, beispielsweise über einen
nicht gezeigten Drucksensor, der ebenfalls an die externe Steuerung 108 angeschlos sen
ist. Um diese Prüfung
sinnvoll durchzuführen
ist, es auch unter Umständen
angebracht, Ventile auf der Kathodenseite des Brennstoffzellenstapels 12 vorzusehen,
damit die Eingänge und
Ausgänge
dort geschlossen sind. Eine andere Möglichkeit, die Leckage festzustellen,
liegt darin, die Sensorsignale an den Sensoren 116A bis 116I auszuwerten,
was von der externen Steuerung 108 durchgeführt wird.
Eine weitere Möglichkeit
besteht darin, einen oder mehrere Sensoren manuell an allen zu erfassenden
Stellen zu halten.
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Bei einem Langzeittest können die
verschiedenen vorgesehenen Ventile in einer bestimmten Reihenfolge
oder nach einem bestimmten Muster geöffnet und geschlossen werden,
um verschiedene Leckagefäden
einzeln zu prüfen
bzw. aus dem entstehenden Signalmuster von den Sensoren zu erfassen.
Es soll an dieser Stelle zum Ausdruck gebracht werden, dass die
gezeigten Ventile lediglich eine Auswahl der üblicherweise vorgesehenen Ventile darstellen,
wobei alle solchen Ventile über
entsprechende Steuerleitungen an die Steuerung 48 normalerweise
angeschlossen sind.
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Die Möglichkeit besteht ferner, die
Leistungsabgabe über
die Klemmen 32 und 34 von der externen Steuerung
zu erfassen (diese wäre
dann über die
Steuerung 48 an die elektrischen Komponenten angeschlossen,
die für
die Aufbereitung und Verteilung der an den Klemmen 32 und 34 abgenommenen Leistung
sorgen). Das heißt,
die Möglichkeit
besteht, das Brennstoffzellensystem bei der Inbetriebnahme zu prüfen, wodurch
dann auftretende Leckagen ebenfalls von den Sensoren 116A bis 116I erfasst und
von der externen Steuerung 108 ausgewertet werden können. Wenn
sich die Inbetriebnahme als problemlos gestaltet, so kann mit einem
erhöhten Durchsatz
der Gasmischung gearbeitet werden, um zu sehen, ob das Brennstoffzellensystem
die Leistung bringt, die bei den eingestellten Gasmischungen zu
erwarten sind und es können
dann über
die zuvor er wähnten
Zuordnungen, die beispielsweise in der externen Steuerung 108 gespeichert
sind, Rückschlüsse gezogen
werden, ob das Brennstoffzellensystem im normalen Betrieb funktionsfähig ist.
Für solche
Prüfungen
kann es sinnvoll sein, wenn im normalen Betrieb eine Rezirkulation über die
Rezirkulationspumpe 60 vorgesehen ist, die Rezirkulation durch
ein entsprechendes Ventil in der Leitung 58 zu unterbinden
oder die Pumpe 60, die ebenfalls von der Steuerung 48 aus
kontrolliert wird, bei einem anderen Durchsatz als im normalen Betrieb
arbeiten zu lassen. Weiterhin besteht auch die Möglichkeit, das Brennstoffzellensystem
aufzuwärmen,
entweder durch eine externe Heizeinrichtung (nicht gezeigt) oder
durch den Betrieb mit der Gasmischung, um die Prüfungen auch in erwärmten Zustand
des Brennstoffzellensystems zu prüfen.
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Sofern die Leckageprüfung und
der Betrieb mit der Gasmischung erfolgreich abgeschlossen ist, kann
bei Verwendung der Gasmischungszuführeinrichtung 120 durch
Steuersignale der externen Steuerung 108 die Gasmischung
stufenweise oder progressiv in Richtung einer Mischung gesteuert
werden, die einen höheren
Anteil an H2 bzw. die vollständig
aus H2 besteht, gesteuert werden, um anschließend eine Leistungsprüfung vorzunehmen.
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Sollte bei den durchgeführten Prüfungen die Sensoren 116A bis 116I anzeigen,
dass eine Wasserstoffleckage vorhanden ist, so kann die externe Steuerung 108 die
Wasserstoffzufuhr über
das Ventil 104 sofort abbrechen, um nicht unnötige Mengen
der Gasmischung austreten zu lassen. Das Brennstoffzellensystem
muss dann entsprechend überholt
werden, bevor eine erneute Prüfung
stattfindet oder gar als funktionsuntüchtig klassifiziert und verschrottet werden.
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Bei Prüfungen in Reparaturwerkstätten muss nicht
unbedingt die gleiche Prüfung
vorgenommen werden, wie auf einem Prüfstand im Herstellerwerk. Man
kann aber die Prüfungen
in der Werkstatt vornehmen, die dort angebracht erscheinen.
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Da die externe Steuerung 108 die
Einstellung und Öffnungszeit
des Ventils 104 bzw. der Ventile 128, 130 bestimmt,
kann der Durchsatz der Gasmischung von der Steuerung ermittelt werden,
wobei auch eine getrennte Durchflussmesseinrichtung gegebenenfalls
vorgesehen werden könnte,
wie bei 140 in der Leitung 114 oder 142 in
der Leitung 106 in gestrichelten Linien angedeutet, wobei
die Durchflussmesseinrichtung 140 bzw. 142 an
die externe Steuerung 108 anzuschließen wäre.
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Eine solche Durchflussmesseinrichtung 140 bzw. 142 ist
bei der Leckageprüfung
nützlich.
Man kann nämlich
das Brennstoffzellensystem bis zu einem bestimmten Prüfdruck auffüllen und
dann mit der Durchflussmesseinrichtung 140 bzw. 142 messen,
ob Prüfgas
nachströmt,
um den Prüfdruck
auf dem eingestellten Niveau zu halten. Ist die Kathodenseite des
Brennstoffzellensystems offen, d.h. nicht mittels Ventilen abgeschlossen,
so wird ein Durchfluss an Prüfgas
entstehen aufgrund von Diffusion durch die Membrane. Die Höhe dieses
Durchflusses soll aber einen charakteristischen Wert für das Brennstoffzellensystem
nicht überschreiten.
Das bedeutet aber auch, dass, wenn dieser Wert überschritten wird, ein Defekt
vorliegt. Bei abgeschlossener Kathodenseite soll der gemessene Durchfluss
auf Null gehen, wenn keine Leckagen vorhanden sind. Der Prüfdruck darf
nicht so hoch sein, dass die Membrane beschädigt werden. Bei abgeschlossener
Kathodenseite kann das Prüfgas
der Kathodenseite ebenfalls zugeführt werden. Es wird dann keine
Druckdifferenz über
die Membrane geben, die diese beschädigen könnte. In diesem Fall sollte
die Durchflussmesseinrichtung 140 bzw. 142 keinen
Durchfluss beim Errei chen des Prüfdrucks
zeigen. Die Prüfung kann
auch zweifstufig durchgeführt
werden. D.h. das Prüfgas
wird der Anodenseite bei einem niedrigeren Prüfdruck zugeführt und
der Durchfluss über
die Durchflussmesseinrichtung 140 bzw. 142 gemessen. Ist
dieser Durchfluss im zulässigen
Bereich, bedingt durch die Diffusion durch die Membrane, wird die
Kathodenseite abgeschlossen und ebenfalls mit Prüfgas versorgt bis ein gleicher
oder höherer
Prüfdruck auf
der Anodenseite und Kathodenseite erreicht ist und es wird dann
ein etwaiger Durchfluss über
die Durchflussmesseinrichtung 140 bzw. 142 gemessen, der
dann gleich Null sein soll.
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Es wäre auch möglich, entsprechende Durchflussmessgeräte bei den
Eingängen
und Ausgängen
des Brennstoffzellensystems vorzusehen, um dann durch Summen- und
Differenzbildung festzustellen, ob die austretenden Ströme der Gasmischung
dem eintretenden Massenstrom entsprechen oder ob Differenzen vorliegen,
die auf Leckagen schließen
lassen.