DE10358642A1 - Diagnoseverfahren für eine Brennstoffzelle - Google Patents

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Abstract

Bei einem Diagnoseverfahren für eine Brennstoffzellenbatterie wird das Ausmaß der Undichtigkeit dadurch bestimmt, daß der Anode (14) der Brennstoffzellenbatterie Wasserstoff oder ein wasserstoffhaltiges Gas und der Kathode (17) ein inertes Gas zugeführt oder die Kathode evakuiert wird und die Spannung jeder Zelle gemessen wird.

Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf ein Diagnoseverfahren für eine Brennstoffzelle, wie z. B. Niedertemperatur-Brennstoffzellen einschließlich Polymerelektrolyt-Brennstoffzellen und dergleichen. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf ein Brennstoffzellen-Diagnoseverfahren, das die Undichtigkeit einer Elektrolytmembran betrifft.
  • Eine Polymerelektrolyt-Brennstoffzellenbatterie ist aus einem Stapel gebildet, der MEAs (MEA = membrane electrode assembly = Membranelektrodenanordnung) und Separatoren aufweist. Eine Membranelektrodenanordnung besteht aus einer Elektrolytmembran, die aus einer Ionenaustauschmembran gebildet ist, einer Elektrode (Anode oder Brennstoffelektrode), die aus einer auf einer Oberfläche der Elektrolytmembran angeordneten Katalysatorschicht gebildet ist, und einer Elektrode (Kathode oder Luftelektrode), die aus einer auf der anderen Oberfläche der Elektrolytmembran angeordneten Katalysatorschicht gebildet ist. Zwischen der Membranelektrodenanordnung und einem Separator, der auf der Anodenseite angeordnet ist, und zwischen der Membranelektrodenanordnung und einem Separator, der an der Kathodenseite angeordnet ist, sind Diffusionsschichten vorgesehen. Jeder Separator weist einen Brennstoffgaskanal für die Zufuhr von Brenngas (wie z. B. Wasserstoff) an die Anode und einen Oxidationsgaskanal für die Zufuhr von Oxidationsgas (wie z. B. Sauerstoff oder im Normalfall Luft) an die Kathode auf. Jeder Separator weist ferner einen Kühlmittelkanal zum Leiten eines Kühlmittels (im Normalfall Kühlwasser) auf. Ein Brennstoffzellenstapel wird durch Stapeln von Modulen gebildet, die jeweils zumindest eine Zelle umfassen, die durch Stapeln von einer Membranelektrodenanordnung und von Separatoren gebildet wird. Anschlüsse, Isolatoren und Endplatten sind auf zwei einander gegenüberliegenden Seiten eines Zellenstapels in der Zellenstapelrichtung angeordnet. Der Zellenstapel ist in der Zellenstapelrichtung festgeklemmt und ist unter Verwendung von Befestigungs baugliedern (z. B. Spannplatten), die sich außerhalb des Zellenstapels in der Zellenstapelrichtung erstrecken, und auch unter Verwendung von Schrauben und Muttern befestigt. Auf diese Weise wird ein Stapel gebildet. Auf der Anodenseite von jeder Zelle findet eine Reaktion statt, bei der Wasserstoff in Wasserstoffionen (Protonen) und Elektronen gespalten wird. Die Wasserstoffionen wandern durch die Elektrolytmembran zur Kathodenseite. Auf der Kathodenseite reagieren Sauerstoff, Wasserstoffionen und Elektronen (d. h. die Elektronen, die auf der Anodenseite der benachbarten MEA erzeugt wurden, gelangen durch den Separator zur Kathode oder die Elektronen, die auf der Anodenseite der Zelle erzeugt wurden, die an einem Ende des Zellenstapels angeordnet ist, gelangen über eine externe Schaltung zur Kathode der Zelle, die am entgegengesetzten Ende angeordnet ist), um Wasser zu erzeugen, wie nachstehend ausgedrückt ist.
  • Anodenseite: H2 → 2H+ + 2e– Kathodenseite: 2H+ + 2e– + (1/2)O2 → H2O
  • Die Elektrolytmembran darf in der Membrandickenrichtung nur Protonen durch die Membran wandern lassen. In Wirklichkeit aber wandert eine sehr geringe Menge Wasserstoff durch die Dicke der Membran von der Anodenseite zur Kathodenseite, oder eine sehr geringe Menge Luft wandert durch die Dicke der Membran von der Kathodenseite zur Anodenseite (wobei dieses Phänomen als "Undichtigkeit" bezeichnet wird). Ein derartiger Durchgang von Wasserstoff oder Sauerstoff durch die Membran führt zu einer Reaktion zwischen Wasserstoff und Sauerstoff, wodurch Wärme erzeugt wird. Aus diesem Grund verschlechtert sich die Qualität der Membran, und die Dauerhaftigkeit und Lebensdauer der Brennstoffzellenbatterie wird reduziert. Im Stand der Technik sind zwei Diagnoseverfahren zur Bestimmung des Vorliegens/Nichtvorliegens einer Undichtigkeit und des Verlaufs derselben vorgeschlagen worden.
    • (1) In der japanischen Patentoffenlegungsschrift 9-27336 ist ein Verfahren offenbart, bei dem das Ausmaß der Undichtigkeit anhand der Veränderung der Zellen spannung bestimmt wird, die eintritt, wenn der Anodenseite ein Brennstoffgas und der Kathodenseite ein Oxidationsgas zugeführt wird.
    • (2) Es ist ein Verfahren bekannt, bei dem die zwei Elektroden mit einem inerten Gas, wie z. B . Stickstoff oder dergleichen, versorgt werden, wobei ein Differenzdruck zwischen den zwei Elektroden vorliegt und das Ausmaß der Druckänderung pro Zeiteinheit als Ausmaß der Undichtigkeit gemessen wird.
  • Beide Verfahren weisen jedoch Probleme auf. Das erste Verfahren bietet keine Möglichkeit zur mengenmäßigen Bestimmung. Beim zweiten Verfahren ist die Bestimmung des Ausmaßes der Undichtigkeit der jeweiligen Zelle nicht möglich, wenn die Zellen gestapelt bzw. zusammengebaut sind. Um beim zweiten Verfahren das Ausmaß der Undichtigkeit von jeder Zelle eines Stapels zu bestimmen, muß der Stapel zur Einzelmessung in einzelne Zellen zerlegt werden.
    •
  • Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein Brennstoffzellen-Diagnoseverfahren zu schaffen, bei dem das Ausmaß der Undichtigkeit mengenmäßig bestimmt werden kann sowie das Ausmaß der Undichtigkeit jeder Zelle in einem gestapelten Zustand.
  • Um die vorstehend erwähnte Aufgabe zu lösen, wird bei einem Aspekt des Diagnoseverfahrens für eine erfindungsgemäße Brennstoffzellenbatterie (1) einer Anode der Brennstoffzellenbatterie Wasserstoff oder ein wasserstoffhaltiges Gas zugeführt und (2) einer Kathode ein inertes Gas zugeführt oder dieselbe evakuiert und (3) die Spannung von jeder Zelle gemessen. Das Ausmaß der Undichtigkeit wird basierend auf der Spannung jeder Zelle gemessen.
  • Gemäß dem vorstehend beschriebenen Aspekt der Erfindung wird, wenn der Anode Wasserstoff und der Kathode ein inertes Gas (z. B. Stickstoff) zugeführt wird, abhängig von der Differenz zwischen der Konzentration von Wasserstoff auf der Anodenseite und der Konzentration von Wasserstoff auf der Kathodenseite (d. h. einer Differenz des Partialdrucks zwischen den beiden vorstehenden Konzentrationen) in einer Zelle eine elektromotorische Kraft erzeugt. Durch Überwachung der dadurch von jeder Zelle erzeugten Spannung kann das Ausmaß der Undichtigkeit jeder Zelle mengenmäßig bestimmt werden.
  • Bei dem vorstehend beschriebenen Aspekt kann das Ausmaß der Wasserstoff-Undichtigkeit einer Zelle anhand der Spannung der Zelle bestimmt werden, die beruhend auf dem Prinzip einer Wasserstoffkonzentrationszelle erzeugt wurde. Ferner kann die Spannung jeder Zelle in einem Zustand gemessen werden, in dem eine Mehrzahl von Zellen der Brennstoffzellenbatterie gestapelt ist. Weiter noch kann zumindest entweder der Gasdruck auf der Anodenseite oder der Gasdruck auf der Kathodenseite zum Zeitpunkt der Messung der Spannung jeder Zelle geändert werden. Durch Ändern des Gasdrucks oder der Kühlmitteltemperatur können verschiedene Betriebszustände der Brennstoffzellenbatterie erzeugt werden. Somit kann das Ausmaß der Undichtigkeit jeder Zelle in derart unterschiedlichen Zuständen bestimmt werden und erfindungsgemäß berechnet werden.
    •
  • Die vorstehenden und weiteren Aufgaben, Ziele und Vorteile der Erfindung werden anhand der nachfolgenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen verständlich, in denen identische Bezugszeichen zur Darstellung identischer Elemente verwendet werden. Es zeigen:
  • 1 eine systematische Darstellung einer Vorrichtung, die das erfindungsgemäße Brennstoffzellen-Diagnoseverfahren ausführt;
  • 2 einen Graphen, der das Verhältnis zwischen Zellenspannung (elektromotorische Kraft jeder Zelle) und Zeit in dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellen-Diagnoseverfahren aufzeigt;
  • 3 ein Balkendiagramm, das das Ausmaß der Undichtigkeit der Zellen in dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellen-Diagnoseverfahren aufzeigt;
  • 4 eine Seitenansicht eines Brennstoffzellenstapels einer erfindungsgemäßen Brennstoffzellenbatterie;
  • 5 eine vergrößerte Ansicht eines Abschnitts des Brennstoffzellenstapels, der in 4 gezeigt ist, und
  • 6 eine Vorderansicht einer Zelle, die in 4 teilweise gezeigt ist.
  • Eine erfindungsgemäße Brennstoffzelle wird nun unter Bezugnahme auf die 1 bis 6 beschrieben. Eine Brennstoffzellenbatterie, auf die die Erfindung angewendet werden kann, ist eine Niedertemperatur-Brennstoffzelle, z. B. eine Polymerelektrolyt-Brennstoffzellenbatterie, wie z. B. die Brennstoffzelle 10. Die Brennstoffzelle 10 kann beispielsweise in einem Brennstoffzellen-Fahrzeug eingebaut sein. Die Brennstoffzellenbatterie 10 kann jedoch auch für andere Zwecke verwendet werden.
  • Die Polymerelektrolyt-Brennstoffzellenbatterie 10 ist aus einem Stapel von Membranelektrodenanordnungen und Separatoren 18 gebildet, die in 4 und 5 gezeigt sind. Jede Membranelektrodenanordnung besteht aus einer Elektrolytmembran 11, die aus einer Ionenaustauschmembran gebildet ist, einer Elektrode (Anode oder Brennstoffelektrode) 14, die aus einer Katalysatorschicht 12 gebildet ist, die auf einer Oberfläche der Elektrolytmembran 11 angeordnet ist, und einer Elektrode (Kathode oder Luftelektrode) 17, die aus einer Katalysatorschicht 15 gebildet ist, die auf einer gegenüberliegenden Oberfläche der Elektrolytmembran 11 angeordnet ist. Zwischen jeder Membranelektrodenanordnung und einem Separator 18, der auf der Anodenseite der Anordnung angeordnet ist, und zwischen der Membranelektordenanordnung und einem Separator 18, der auf der Kathodenseite angeordnet ist, sind Diffusionsschichten 13, 16 vorgesehen. Ein Brennstoffzellenstapel wird durch Stapeln von Modulen gebildet, die jeweils zumindest eine Zelle umfassen, die durch Stapeln einer Membranelektrodenanordnung und eines Separators 18 gebildet ist. Anschlüsse 20, Isolatoren 21 und Endplatten 22 sind an zwei einander gegenüberliegenden Enden eines Zellenstapels in der Zellenstapelrichtung angeordnet. Der Zellenstapel ist in der Zellenstapelrichtung festgeklemmt und ist unter Verwendung von Befestigungsbaugliedern (z. B. Spannplatten 24), die sich außerhalb des Zellenstapels in der Zellenstapelrichtung erstrecken, und auch unter Verwendung von Schrauben und Muttern befestigt. Auf diese Weise wird ein Stapel 23 gebildet.
  • Die Separatoren 18 sind aus Kohlenstoff oder einem Metall oder aus einem Metall und einem Harzrahmen oder aus einem elektrisch leitfähigen Harz oder einer Kombination daraus gebildet. Bei dem in den Zeichnungen gezeigten Ausführungsbeispiel sind die Separatoren 18 aus Kohlenstoff hergestellte Separatoren. Die Separatoren 18 können jedoch aus einem anderen Material als Kohlenstoff gebildet sein. Jeder Separator 18 weist einen Brennstoffgaskanal 27 für die Zufuhr eines Brennstoffgases (wie z. B. Wasserstoff) an die benachbarte Anode 14 und einen Oxidationsgaskanal 28 für die Zufuhr eines Oxidationsgases (wie z. B. Sauerstoff oder im Normalfall Luft) an die benachbarte Kathode 17 auf. Das Brenngas und das Oxidationsgas sind beides Reaktionsgase. Jeder Separator weist ferner einen Kühlmittelkanal 26 zum Leiten eines Kühlmittels (im Normalfall Kühlwasser) auf. Für jede Zelle oder für jeden Satz aus zumindest einer Zelle (z. B. für jedes Modul) ist ein Kühlmittelkanal 26 vorgesehen.
  • Wie in 6 gezeigt ist, weist jeder Separator 18 ein Kühlmittelverteilerrohr 29, ein Brenngasverteilerrohr 30 und ein Oxidationsgasverteilerrohr 31 auf, die sich durch den Separator in Zellenstapelrichtung erstrecken. Das Kühlmittelverteilerrohr 29 weist eine Einlaßseite 29a und eine Auslaßseite 29b auf. Das Kühlmittel strömt durch den Kühlmittelkanal 26 von jeder Zelle, von der Einlaßseite 29a zur Auslaßseite 29b. Das Brennstoffgasverteilerrohr 30 weist eine Einlaßseite 30a und eine Auslaßseite 30b auf. Das Brennstoffgas strömt durch den Brennstoffgaskanal 27, von der Einlaßseite 30a zur Auslaßseite 30b. Das Oxidationsgasverteilerrohr 31 weist eine Einlaßseite 31a und eine Auslaßseite 31b auf. Das Oxidationsgas strömt durch den Oxidationsgaskanal 28 von jeder Zelle, von der Einlaßseite 31a zur Auslaßseite 31b.
  • Wie in 1 gezeigt ist, ist eine Rohrleitung 32 für Kühlmittel (wie z. B. Kühlwasser) mit dem Kühlmittelverteilerrohr 29 verbunden. Eine Brenngasrohrleitung 33 ist mit dem Brenngasverteilerrohr 30 verbunden. Eine Oxidationsgasrohrleitung 34 ist mit dem Oxidationsgasverteilerrohr 31 verbunden.
  • Wie in 1 gezeigt ist, sind an den Zellen 19 Zellenspannungs-Überwachungseinrichtungen 40 angebracht. Die Zellenspannungs-Überwachungseinrichtungen 40 sind für jede Zelle 19 des Stapels 23 oder für jeden Satz aus einer Mehrzahl von Zellen 19 separat vorgesehen, um das elektrische Potential von jeder Zelle 19 oder von jedem Satz aus Zellen 19, die mit den Zellenspannungs-Überwachungseinrichtungen 40 verbunden sind, zu erfassen. Die Zellenspannungs-Überwachungseinrichtungen 40 sind an den Separatoren 18 der Zellen 19 angebracht. Der Stapel 23, der durch Stapeln von Zellen 19 gebildet wird, die Kühlmittelrohrleitung 32, die Brenngasrohrleitung 33, die Oxidationsgasrohrleitung 34 und die Zellenspannungs-Überwachungseinrichtungen 40 sind für den Betrieb der Brennstoffzellenbatterie notwendig und können für eine Undichtigkeitsprüfung direkt verwendet werden.
  • Wie nachstehend beschrieben, sind für die Undichtigkeitsprüfung Meßgeräte und ein Computer (Datenaufzeichnungsgerät) vorgesehen. Zur Messung der Kühlwassertemperatur ist die Kühlmittelrohrleitung 32 mit einem Temperaturdetektor versehen, z. B. einem Thermoelement 35. Die Brenngasrohrleitung 33 ist mit einem Manometer 36 zum Messen des Gasdrucks (wie z. B. des Wasserstoffdrucks zum Zeitpunkt der Undichtigkeitsprüfung) in der Brenngasrohrleitung 33 versehen. Die Oxidationsgasrohrleitung 34 ist mit einem Manometer 37 zum Messen des Gasdrucks (wie z. B. des Stickstoffdrucks zum Zeitpunkt der Undichtigkeitsprüfung) in der Oxidationsgasrohrleitung 34 und auch mit einem Masseflußregler (für N2) versehen. Die durch das Thermoelement 35 gemessenen Werte, die durch das Manometer 36 gemessenen Werte, die durch das Manometer 37 gemessenen Werte und die durch die Zellenspannungs-Überwachungseinrichtungen 40 erfaßten Werte werden an den Computer (das Datenaufzeichnungsgerät) 39 übertragen und in denselben eingegeben.
  • Die elektromotorische Kraft E von jeder Zelle 19 wird anhand des Potentialunterschieds zwischen den Zellen 19 bestimmt, der in das Datenaufzeichnungsgerät 39 ein gegeben wird. Wird z. B. in 1 davon ausgegangen, daß das Potential des Separators 18 der Zelle 19 an einem Ende des Stapels, das durch eine entsprechende Zellenspannungsüberwachungseinrichtung 40 erfaßt wird, 0,07 V beträgt und daß das erfaßte Potential des Separators 18 der angrenzenden Zelle 19 0,14 V beträgt und daß das erfaßte Potential des Separators 18 der nächstbenachbarten Zelle 19 0,21 V beträgt, dann beträgt der Potentialunterschied zwischen den Separatoren 18 auf der gegenüberliegenden Seite der Membran 11 der Zelle 19, die am Ende des Stapels angeordnet ist, d. h. die elektromotorische Kraft E der Zelle 19 am Ende des Stapels, 0,07 V. Desgleichen beträgt die elektromotorische Kraft der angrenzenden Zelle 19 0,14 V–0,07 V = 0,07 V, und die elektromotorische Kraft der nächstbenachbarten Zelle 19 beträgt 0,21 V–0,14 V = 0,07 V.
  • Bei dem Brennstoffzellen-Diagnoseverfahren der Erfindung, das in der vorstehend beschriebenen Vorrichtung ausgeführt wird, handelt es sich um ein Verfahren, bei dem das Ausmaß der Undichtigkeit durch Zufuhr von Wasserstoff oder eines wasserstoffhaltigen Gases an die Anoden 14 der Brennstoffzellenbatterie 10 und Zufuhr eines inerten Gases an die Kathoden 17 der Brennstoffzellenbatterie 10 oder Evakuieren der Kathoden 17 und anschließendes Messen der Zellenspannungen bestimmt wird. Die Messung und Bestimmung des Ausmaßes der Undichtigkeit wird ausgeführt, während der Stapel 23, der durch Stapeln der Zellen 19 gebildet wurde, erhalten bleibt.
  • Wenn die Anodenseite 14 mit Wasserstoff oder einem wasserstoffhaltigen Gas versorgt wird und die Kathodenseite 17 mit einem inerten Gas (z. B. Stickstoff) versorgt wird oder evakuiert wird, wird in jeder Zelle 19 eine elektromotorische Kraft E abhängig von der Differenz zwischen der Konzentration von Wasserstoff auf der Anodenseite 14 und der Konzentration von Wasserstoff auf der Kathodenseite 17 (Differenz des Partialdrucks) erzeugt. Beruhend auf dem Prinzip einer Wasserstoffkonzentrationszelle wird nämlich in jeder Zelle eine Spannung erzeugt. Die elektromotorische Kraft E gehorcht der Nernst'schen Gleichung wie folgt: E = 2,3026 × {(RT)/(2F)} × log10{PH2(a)PH2(c)} (1)wobei
    E: elektromotorische Kraft einer Zelle (Potentialunterschied, der durch Zellenspannungs-Überwachungseinrichtungen 40 erfaßt wird)
    R: Gaskonstante = 8,31(J/mol·K)
    F: Faraday'sche Konstante
    T: Temperatur (°K) (mit dem Thermoelement 35 gemessen)
    PH2 (a): anodenseitiger oder Anoden-Wasserstoffdruck (KPa abs.) (mit dem Manometer 36 gemessen)
  • Der kathodenseitige Wasserstoffpartialdruck PH2(c) kann durch Einsetzen der mit dem Manometer 36, dem Thermoelement 35 und den Zellenspannungs-Überwachungseinrichtungen 40 gemessenen Werte in die Gleichung (1) bestimmt werden.
  • Der kathodenseitige oder Kathoden-Wasserstoffpartialdruck PH2(c) und das Ausmaß der Undichtigkeit der Membran der Zelle stehen in einem Verhältnis zueinander, das durch die nachstehende Gleichung (2) ausgedrückt wird.
  • PH2(c) = {(Ausm. d. Undichtigkt.)/(Menge d. kathodenseitg. Gases)} × PTOTAL(c) (2)wobei
    PT OTAL(c): Gesamtdruck (KPa abs.) des inerten Gases auf der Kathodenseite (mit dem Manometer 37 gemessen).
  • Die nachstehende Annäherung wird in der Gleichung (2) verwendet.
  • (Menge des kathodenseitigen Gases) =(Stickstofffuß) + (Ausmaß der Undichtigkeit) (Stickstofffuß)
  • Anschließend wird die Menge des kathodenseitigen Gases durch den Masseflußregler 38 gemessen.
  • Das Ausmaß der Undichtigkeit von jeder Zelle kann durch Berechnung der Gleichung (2) unter Verwendung des durch die Gleichung (1) bestimmten Wertes für PH2(c), des mit dem Manometer 37 gemessenen Werts für PTOTAL (c) und des mit dem Masseflußregler 38 gemessenen Werts für die Menge des kathodenseitigen Gases bestimmt werden. Die Summierung des jeweiligen Ausmaßes der Undichtigkeit der einzelnen Zellen ergibt das Gesamtausmaß der Undichtigkeit aller Zellen des Stapels 23. Dadurch wird es möglich, jeweils das Ausmaß der Undichtigkeit der Zellen in einem gestapelten bzw. zusammengebauten Zustand mengenmäßig zu bestimmen, was gemäß den herkömmlichen Meßverfahren unmöglich ist.
  • 2 ist ein Graph, der das Verhältnis zwischen der Zellenspannung (elektromotorische Kraft von jeder Zelle) E und Zeit aufzeigt, wobei die Zellenspannung von jeder Zelle 19 als Differenz zwischen den Potentialen der Zellen bestimmt worden ist, die durch die Zellenspannungs-Überwachungseinrichtungen 40 gemessen wurden. In 2 erreicht die Zellenspannung (elektromotorische Kraft von jeder Zelle) E aufgrund der Einwirkung von Luft, die auf der Kathodenseite in der Brennstoffzellenbatterie infolge eines Normalbetriebs der Brennstoffzellenbatterie verbleibt, einen Spitzenwert. Die Luft wird jedoch unverzüglich durch Stickstoff ersetzt, so daß sich die Zellenspannung (elektromotorische Kraft von jeder Zelle) E im Laufe der Zeit im wesentlichen einem konstanten Wert nähert. Der konstante Konvergenzwert der Zellenspannung (elektromotorische Kraft jeder Zelle) E variiert normalerweise abhängig von den einzelnen Zellen.
  • 3 zeigt das Ausmaß der Undichtigkeit von einzelnen Zellen, das jeweils durch die Berechnung der Gleichung (2) unter Verwendung des Wertes PH2(c) bestimmt wurde, der durch die Berechnung der Gleichung (1) unter Verwendung von E, das in 2 bestimmt wurde, bestimmt worden ist. In 3 steht "ZELLEN Nr." für die Zellenzahl, die den Zellen von einem Ende zum anderen Ende des Stapels zugeordnet sind. Wie in 3 angezeigt ist, kann das Ausmaß der Undichtigkeit von jeder Zelle 19 mengenmäßig bestimmt werden. Das Ausmaß der Undichtigkeit der Zellen, das in 3 angezeigt ist, ist das Ausmaß, das in einem gestapelten Zustand der Zellen bestimmt wurde.
  • Obwohl bei dem vorstehenden Ausführungsbeispiel das inerte Gas, das der Kathodenseite zugeführt wird, Stickstoff ist, beschränkt sich das inerte Gas nicht auf Stickstoff, sondern kann statt dessen Helium, Argon oder dergleichen sein. Die Erzeugung eines Vakuums erfüllt den Zweck genauso. Wenn eine erhöhte Anzahl von Manometern 36, 37 sowohl für die Gaseinlaßseite als auch die Gasauslaßseite vorgesehen ist, wird es möglich, die Position der Undichtigkeit in der Zellenoberfläche einzugrenzen, d. h. zu bestimmen, ob die Position der Undichtigkeit näher am Gaseinlaß oder am Gasauslaß ist.
  • Wenn ferner die Drücke auf der Anode 14 und der Kathode 17 verändert werden, z. B. wenn für die Messung zwischen der Anode 14 und der Kathode 17 ein Differenzdruck erzeugt wird, wird es möglich, den Grad der Qualitätsminderung (Grad der Perforation) der Membran 11 zu erfassen. Wenn z. B. eine Veränderung der Differenzdrücke während der Messung eine große Veränderung am Ausmaß der Undichtigkeit einer Zelle bewirkt, ist davon auszugehen, daß die Membran der Zelle ein Loch hat. Durch Verändern der Temperatur des Kühlmittels (Kühlwassers) kann ferner die Temperaturabhängigkeit des Ausmaßes der Undichtigkeit bestimmt werden. Weiter noch, wenn die Messung zumindest entweder bei dem Druck oder der Temperatur ausgeführt wird, die sich innerhalb des Druck- oder Temperaturbereich des Normalbetriebsbereichs der Brennstoffzellenbatterie ändern, kann das Ausmaß der Undichtigkeit und der Membranqualitätsminderung im Normalbetriebsbereich berechnet werden, so daß die Dauerhaf tigkeit und die Zuverlässigkeit der Membran 11 und der Brennstoffzellenbatterie 10 ermittelt werden können.
  • Vorstehend erfolgte eine ausführliche Beschreibung der speziellen Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung, die in den nachstehend angeführten Ansprüchen definiert ist. Die Erfindung umfaßt alle Alternativen, Modifizierungen und Variationen, die unter letztere und den Schutzbereich der Erfindung fallen, sowie alle Entsprechungen des beanspruchten Gegenstands der Anmeldung.

Claims (7)

  1. Diagnoseverfahren für eine Brennstoffzellenbatterie, die eine Mehrzahl von Zellen aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß es folgende Schritte umfaßt: Zuführen von Wasserstoff oder eines wasserstoffhaltigen Gases an eine Anode (14) der Brennstoffzellenbatterie; Zuführen von einem inerten Gas an eine Kathode (17) oder Evakuieren der Kathode (17); Messen einer Spannung von jeder Zelle (19) unter einer Bedingung, bei der der Wasserstoff oder das wasserstoffhaltige Gas der Anode (14) der Brennstoffzelle und das inerte Gas der Kathode (17) zugeführt wird oder die Kathode (17) evakuiert wird; und Bestimmen eines Ausmaßes einer Undichtigkeit basierend auf der gemessenen Spannung von jeder Zelle (19).
  2. Diagnoseverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß beim Schritt des Bestimmens das Ausmaß der Wasserstoff-Undichtigkeit von jeder Zelle (19) anhand der gemessenen Spannung (E) jeder Zelle (19) bestimmt wird, die beruhend auf dem Prinzip einer Wasserstoffkonzentrationszelle erzeugt wird.
  3. Diagnoseverfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, das es ferner folgende Schritte aufweist: Erfassen eines Gasdrucks (PH2(a)) an der Anode (14); Berechnen eines Drucks (PH2(c)) des wasserstoffhaltigen Gases an der Kathode (17) basierend auf dem Gasdruck (PH2(a)) an der Anode (14) und auf der gemessenen Spannung (E) von jeder Zelle (19); Erfassen eines Gesamtdrucks (Ptotal(c)) des inerten Gases, das der Kathode (17) zugeführt wurde; Erfassen einer Menge des inerten Gases, das der Kathode (17) zugeführt wurde; und Berechnen eines Ausmaßes der Undichtigkeit basierend auf dem Druck (PH2(c)) des wasserstoffhaltigen Gases an der Kathode (17), auf dem Gesamtdruck (Ptotal(c)) des inerten Gases, das der Kathode (17) zugeführt wird, und auf der Menge des inerten Gases, das der Kathode 17 zugeführt wird.
  4. Diagnoseverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannung von jeder Zelle (19) in einem Zustand gemessen wird, in dem die Mehrzahl der Zellen (19) gestapelt sind.
  5. Diagnoseverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß es ferner ein Verändern von zumindest entweder dem Gasdruck an der Anode (14) oder dem Gasdruck an der Kathode (17) beim Messen der Spannung von jeder Zelle (19) umfaßt.
  6. Diagnoseverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, das es ferner folgende Schritte umfaßt: Einführen eines Kühlmittels in eine Brennstoffzellenbatterie; und Verändern einer Temperatur des Kühlmittels beim Messen der Spannung von jeder Zelle.
  7. Diagnoseverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das inerte Gas, das der Kathode (17) zugeführt wird, Stickstoff ist.
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