EP1502318A1 - Verfahren zur ermittlung eines gaslecks in einer pem-brennstoffzelle - Google Patents

Verfahren zur ermittlung eines gaslecks in einer pem-brennstoffzelle

Info

Publication number
EP1502318A1
EP1502318A1 EP03735345A EP03735345A EP1502318A1 EP 1502318 A1 EP1502318 A1 EP 1502318A1 EP 03735345 A EP03735345 A EP 03735345A EP 03735345 A EP03735345 A EP 03735345A EP 1502318 A1 EP1502318 A1 EP 1502318A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
fuel cell
voltage
pem fuel
leak
pem
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP03735345A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Detlev Coerlin
Harry Gellert
Walter STÜHLER
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG filed Critical Siemens AG
Priority to EP03735345A priority Critical patent/EP1502318A1/de
Publication of EP1502318A1 publication Critical patent/EP1502318A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
    • H01M8/04664—Failure or abnormal function
    • H01M8/04679—Failure or abnormal function of fuel cell stacks
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04223—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids during start-up or shut-down; Depolarisation or activation, e.g. purging; Means for short-circuiting defective fuel cells
    • H01M8/04225—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids during start-up or shut-down; Depolarisation or activation, e.g. purging; Means for short-circuiting defective fuel cells during start-up
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
    • H01M8/04537—Electric variables
    • H01M8/04544—Voltage
    • H01M8/04559—Voltage of fuel cell stacks
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04694—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by variables to be controlled
    • H01M8/04858—Electric variables
    • H01M8/04865—Voltage
    • H01M8/0488—Voltage of fuel cell stacks
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04694—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by variables to be controlled
    • H01M8/04858—Electric variables
    • H01M8/04895—Current
    • H01M8/0491—Current of fuel cell stacks
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04694—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by variables to be controlled
    • H01M8/04858—Electric variables
    • H01M8/04949—Electric variables other electric variables, e.g. resistance or impedance
    • H01M8/04952—Electric variables other electric variables, e.g. resistance or impedance of fuel cell stacks
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/24—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells
    • H01M8/241—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells with solid or matrix-supported electrolytes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/24—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells
    • H01M8/2457—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells with both reactants being gaseous or vaporised
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M2300/00—Electrolytes
    • H01M2300/0017—Non-aqueous electrolytes
    • H01M2300/0065—Solid electrolytes
    • H01M2300/0082—Organic polymers
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04223—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids during start-up or shut-down; Depolarisation or activation, e.g. purging; Means for short-circuiting defective fuel cells
    • H01M8/04238—Depolarisation
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04223—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids during start-up or shut-down; Depolarisation or activation, e.g. purging; Means for short-circuiting defective fuel cells
    • H01M8/04246—Short circuiting means for defective fuel cells
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Definitions

  • the invention relates to a method for determining a gas leak between the anode gas space and the cathode gas space of a PEM fuel cell.
  • a gas-permeable, porous, electrically conductive collector is arranged on both sides of the membrane on the anode and on the cathode side, with a finely divided catalyst each between the collector and the membrane
  • the anode side is supplied with fuel gas, in particular hydrogen or a gas containing hydrogen
  • the cathode side is supplied with an oxidant, in particular oxygen or an oxygen-containing gas such as air.
  • the hydrogen at the anode of the membrane is oxidized, and the protons that form diffuse through the membrane to the oxygen side. These protons recombine with reduced oxygen to water at the cathode.
  • a leak in the membrane of the PEM fuel cell can lead to a so-called gas short-circuit, with hydrogen and / or oxygen reaching the opposite gas space and reacting there on the catalyst in an exothermic reaction.
  • Such a leak on the one hand lowers the electrical power of the fuel cell, and on the other hand, particularly in the case of a larger leak, there is a risk of a fire occurring in the fuel cell.
  • the test of the fuel cell membrane for leaks is therefore of great importance.
  • a pressure maintenance test is often carried out as a simple leak test procedure. Larger leaks can be identified with this test.
  • Several fuel cells are usually len to a fuel cell battery or a fuel cell stack.
  • the pressure maintenance test has the disadvantage that a leak in a fuel cell stack that is determined with it can at least not be assigned to an individual fuel cell in the stack in a simple manner.
  • the sensitivity of the pressure maintenance test is limited to relatively large leaks.
  • the object of the invention is to provide a simple and reliable method for determining a gas leak between the anode gas space and the cathode gas space of a PEM fuel cell.
  • a fuel cell is charged with a direct current.
  • the time course of the electrical voltage at the fuel cell is measured.
  • the cell voltage gradually increases to a maximum value. If the cell has a leak, hydrogen and oxygen react by means of a gas short-circuit and thus act to increase the cell voltage opposite.
  • the leak test method by means of electrical charging of the fuel cell can be used both in the case of a new PEM fuel cell before it is started up and in a standstill phase of fuel cell operation. In any case, the cell must be sufficiently humidified before the procedure begins. With the aid of the method, the position of a defective fuel cell within a fuel cell stack can be ascertained without problems. All that is necessary is to measure the voltage at the individual cells within the stack individually.
  • the current density is preferably 1 to 10 milliamperes per square centimeter. In this way, the method can be carried out quickly. At the same time, damage to the fuel cell during the test is excluded and a sufficiently high measuring sensitivity can be achieved.
  • the voltage applied to the fuel cell during the charging process is preferably 0.5 volts to 2 volts, in particular at least 0.8 V and a maximum of 1.5 V.
  • the charging voltage thus corresponds approximately to the fuel cell voltage, i.e. the voltage that a fault-free fuel cell delivers in regular energy supply operations.
  • the method for determining a gas leak in a PEM fuel cell is supplemented by the following further method steps:
  • the advantage of the invention is, in particular, that a leak test on a fuel cell stack is possible with little outlay on equipment, which is very sensitive even to the smallest leaks, but at the same time can also be used for large leaks, and indicates the exact position of defective cells within the fuel cell stack.
  • FIG. 1 schematically shows a circuit diagram of a device for
  • FIG. 2a, b Carrying out a fuel cell leak test method, FIG. 2a, b the time course of the voltage rise or - in the case of the fuel cell leak test method - with a device according to FIG. 1.
  • FIG. 1 shows a fuel cell stack or a fuel cell battery 1 with a number of individual PEM fuel cells 2.
  • a controllable power supply unit or a DC voltage source 5 is connected to the fuel cell stack 1 via leads 3 and two switches 4. Furthermore, a discharge resistor 7 that can be switched via a switch 6 is connected to the fuel cell stack 1.
  • a voltage measuring device 8 is provided, which is individually connected to all PEM fuel cells 2. The execution of the leak test method is particularly illustrated with the aid of FIGS. 2a, b.
  • the gas spaces of the individual PEM fuel cells 2 have a moisture content, ie a water content, on both the bottom and the cathode side. However, the fuel cells 2 are not flooded with water.
  • a direct current is passed through the fuel cell stack 1 in such a way that the current density, based on the fuel cell membranes, is approximately 1 to 10 milliamperes per square centimeter.
  • the charging voltage is selected such that, if the individual PEM fuel cells 2 are intact, a voltage of 1 volt is present at each cell after the charging process has ended.
  • the charging process triggers 2 electrolysis processes in the PEM fuel cells, ie hydrogen and oxygen are formed from the at least small amounts of water in the cells 2.
  • the reverse reaction of the chemical reaction takes place during the charging process, which takes place during regular fuel line operation, ie during the voltage supply through the fuel cells 2.
  • the electrolysis processes during the charging process mean that after the charging process, the fuel cell stack 1 can be operated as an energy source at least for a short time.
  • the small amounts of hydrogen and oxygen gas formed in the anode and cathode gas spaces of the individual PEM fuel lines 2 are sufficient for this.
  • the usable voltage thus generated rises to 1 volt during the charging process with intact PEM fuel cells 2. However, if a PEM fuel cell 2 has a leak, the one formed in this cell reacts
  • the different measurement curves A, B, C identify different fuel cells 2 which have the following properties:
  • A There are three intact fuel cells 2. The slight differences between the individual measured fuel cells 2 are due in particular to the fact that the fuel cell membranes enable slight gas diffusion, the diffusion rates scattering slightly.
  • the fuel cell 2 can be charged, but is significantly slower than an intact cell and not to the full cell voltage of IV.
  • the cell has a relatively small leak. Gas formed in the anode and / or cathode gas space during the electrolysis process partially passes into the other gas space.
  • the fuel cell 2 is almost not rechargeable. It can be concluded from this that the fuel cell 2 has a relatively large leak. Almost all of the hydrogen and oxygen formed in the fuel cell 2 reacts to water shortly after formation. However, since the electrolysis process is slow, this exothermic formation of water is not critical from a safety point of view.
  • the position of the defective fuel cells 2 within the fuel cell stack 1 can easily be determined on the basis of the charging behavior of the cells.
  • the leak test procedure is can also be carried out during the assembly of the fuel cell stack 1, before its completion.
  • FIG. 2b illustrates the leak test on the discharge behavior of fuel cells 2. It is assumed that all fuel cells 2 tested with this method are either intact or at least have such a small leak that they can be charged up to the voltage of IV. After the fuel cells 2 to be tested have been charged to IV, they are discharged via a discharge resistor 7 (FIG. 1). The discharge behavior is shown in a family of curves A ⁇ for four fuel cells 2 and in two measurement curves BC ⁇ for a single fuel cell 2:
  • a ⁇ The cell voltage gradually drops to 0V. The energy content accumulated in the fuel cells 2 during the previous charging is consumed. Although all fuel cells 2, the discharge behavior of which is shown in the family of measurement curves A, are intact, the family of curves A ⁇ has a relatively large spread, as is indicated by a double arrow. This illustrates the very high sensitivity of this test.
  • the voltage at the fuel cell 2 drops comparatively quickly to 0V.
  • the cell acts as a source of energy.
  • the energy supply of the fuel cell 2 is used up more quickly than in the case of an intact cell.
  • the fuel cell 2 has a very small leak.
  • the voltage measured on the cell changes its sign, ie the fuel cell 2 acts as an ohmic resistance from this point in time.
  • the energy supply is provided by the intact cells within the fuel line stack 1.
  • the discharge behavior of the fuel cell 2 is similar to that shown in the measurement curve B ⁇ , but the fuel cell 2 has a somewhat larger leak.
  • the voltage for charging the fuel cells 2 is applied to the entire fuel cell stack 1. However, it is also possible to selectively charge a charging voltage to an individual fuel cell 2 within the

Landscapes

  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)

Abstract

Zur Ermittlung eines Gaslecks zwischen dem Anodengasraum und dem Kathodengasraum einer PEM-Brennstoffzelle (2) werden folgende Verfahrensschritte durchgeführt:a) Aufladen der Brennstoffzelle (2) mit einem Gleichstrom, b) Messen des zeitlichen Verlaufs der elektrischen Spannung an der Brennstoffzelle (2).Damit ist mit geringem apparativem Aufwand ein Lecktest an einem Brennstoffzellenstack (1) ermöglicht, der sehr empfindlich auch bei kleinsten Lecks anspricht, zugleich jedoch auch bei großen Lecks anwendbar ist, und die genaue Position schadhafter Brennstoffzellen (2) innerhalb des Brennstoffzellenstacks (1) anzeigt.

Description

Beschreibung
Verfahren zur Ermittlung eines Gaslecks in einer PEM-Brenn- stoffzelle
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung eines Gaslecks zwischen dem Anodengasraum und dem Kathodengasraum einer PEM-Brennstoffzelle.
Eine PEM-Brennstoffzelle (PEM = Polymer-Electrolyt-Membran) weist als Elektrolyt eine ionenleitfähige Polymermembran auf. Beidseitig der Membran ist auf der Anoden- und auf der Kathodenseite jeweils ein gasdurchlässiger, poröser, elektrisch leitfähiger Kollektor angeordnet, wobei sich zwischen Kollek- tor und Membran jeweils ein Katalysator in fein verteilter
Form befindet. Beim Betrieb der Brennstoffzelle wird die Anodenseite mit Brenngas, insbesondere Wasserstoff oder ein Wasserstoffhaltiges Gas, und die Kathodenseite mit einem Oxi- dans-, insbesondere Sauerstoff oder ein sauerstoffhaltiges Gas wie Luft, versorgt. Der Wasserstoff an der Anode der Membran wird oxidiert, wobei die entstehenden Protonen durch die Membran zur Sauerstoffseite diffundieren. Diese Protonen rekombinieren an der Kathode mit reduziertem Sauerstoff zu Wasser.
Eine Leckage in der Membran der PEM-Brennstoffzelle kann zu einem so genannten Gaskurzschluss führen, wobei Wasserstoff und/oder Sauerstoff zum jeweils gegenüberliegenden Gasraum gelangt und dort am Katalysator in einer exothermen Reaktion reagiert. Durch ein solches Leck wird zum einen die elektrische Leistung der Brennstoffzelle herabgesetzt, zum anderen besteht, insbesondere bei einem größeren Leck, das Risiko der Entstehung eines Brandes in der Brennstoffzelle. Dem Test der Brennstoffzellenmembran auf Dichtheit kommt daher große Be- deutung zu. Als einfaches Lecktestverfahren wird häufig ein Druckhaltetest durchgeführt. Mit diesem Test sind größere Leckagen erkennbar. Üblicherweise sind mehrere Brennstoffzel- len zu einer BrennstoffZellenbatterie oder einem Brennstoffzellenstack zusammengefasst . Der Druckhaltetest hat den Nachteil, dass ein mit diesem festgestelltes Leck in einem Brennstoffzellenstack zumindest nicht auf einfache Weise einer einzelnen Brennstoffzelle in dem Stack zugeordnet werden kann. Zudem ist die Sensitivität des Druckhaltetests auf relativ große Lecks begrenzt.
Ein weiteres Verfahren zur Ermittlung von Gaslecks in Brenn- stoffzellen ist beispielsweise aus der DE 196 49 434 CI bekannt. Hierbei wird in beiden Gasräumen einer PEM-Brennstoff- zelle ein unterschiedlicher Wasserstoff-Partialdruck eingestellt und der zeitliche Verlauf der Zellspannung gemessen. Die Absolutdrücke im Anoden- und Kathodengasraum sollten hierbei möglichst unterschiedlich groß sein, wobei eine Differenz von ca. 1 bar als zweckmäßig angegeben ist. Ungeschä- digte Membranen sollen der dadurch verursachten Belastung ohne Risiko widerstehen. Die Anwendung des Tests bei einer vorgeschädigten Membran stellt dagegen ein Sicherheitsrisiko dar. Aus diesem Grund sollte dem Test ein herkömmlicher Druckhaltetest vorgeschaltet sein.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein einfaches und zuverlässiges Verfahren zur Ermittlung eines Gaslecks zwi- sehen dem Anodengasraum und dem Kathodengasraum einer PEM- Brennstoffzelle anzugeben.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren mit den Ansprüchen des Merkmals 1. Hierbei wird eine Brenn- stoffzelle mit einem Gleichstrom aufgeladen. Dabei wird der zeitliche Verlauf der elektrischen Spannung an der Brennstoffzelle gemessen. Während des Aufladevorgangs werden, da die PEM-Zelle eine Feuchte aufweist, Elektrolysevorgänge in Gang gesetzt. Die Zellspannung steigt dabei allmählich auf einen Maximalwert an. Sofern die Zelle ein Leck aufweist, reagieren Wasserstoff und Sauerstoff auf dem Wege eines Gaskurzschlusses und wirken damit dem Anstieg der Zellspannung entgegen. Das Lecktestverfahren mittels elektrischem Aufladen der Brennstoffzelle ist sowohl bei einer neuen PEM-Brenn- stoffzelle vor deren Inbetriebnahme als auch in einer Stillstandsphase des BrennstoffZeilenbetriebs anwendbar. In jedem Fall muss in die Zelle vor Beginn des Verfahrens ausreichend befeuchtet sein. Mit Hilfe des Verfahrens ist die Position einer schadhaften Brennstoffzelle innerhalb eines Brennstoffzellenstacks problemlos feststellbar. Hierzu ist es lediglich erforderlich, die Spannung an den einzelnen Zellen innerhalb des Stacks einzeln zu messen.
Während des Aufladevorgangs beträgt die Stromdichte, bezogen auf die Brennstoffzellenmembran, vorzugsweise 1 bis 10 Milliampere pro QuadratZentimeter. Auf diese Weise ist eine rasche Durchführbarkeit des Verfahrens gegeben. Gleichzeitig ist eine Schädigung der Brennstoffzelle während des Tests ausgeschlossen und eine ausreichend hohe Messempfindlichkeit erreichbar.
Die an die Brennstoffzelle während des Aufladevorgangs angelegte Spannung beträgt vorzugsweise 0,5 Volt bis 2 Volt, insbesondere mindestens 0,8 V und maximal 1,5 V. Die Auflade- spannung entspricht damit etwa der BrennstoffZellenspannung, d.h. der Spannung, die eine fehlerfreie Brennstoffzelle im regulären Energieversorgungsbetrieb liefert.
Nach einer bevorzugten Weiterbildung wird das Verfahren zur Ermittlung eines Gaslecks einer PEM-Brennstoffzelle durch folgende weitere Verfahrensschritte ergänzt:
• Die Aufladung der Brennstoffzelle mit Gleichstrom wird beendet,
• die Brennstoffzelle wird über einen Entladewiderstand entladen, • der zeitliche Verlauf des Spannungsabfalls an der Brennstoffzelle während des Entladevorgangs wird gemessen. Durch diese Messung der Zellspannung während des Entladevorgangs sind eventuelle Leckagen mit erhöhter Genauigkeit nochmals verifizierbar. Die Detektion geschädigter Zellen durch Messung der Zellspannung beim Entladevorgang ist insbesondere bei gering geschädigten Zellen vorteilhaft.
Der Vorteil der Erfindung liegt insbesondere darin, dass mit geringem apparativem Aufwand ein Lecktest an einem Brennstoffzellenstack ermöglicht ist, der sehr empfindlich auch bei kleinsten Lecks anspricht, zugleich jedoch auch bei großen Lecks anwendbar ist, und die genaue Position schadhafter Zellen innerhalb des Brennstoffzellenstacks anzeigt.
Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Hierin zeigen:
FIG 1 schematisch ein Schaltbild einer Vorrichtung zur
Durchführung eines Brennstoffzellen-Lecktestverfahrens, FIG 2a, b den zeitlichen Verlauf des Spannungsanstiegs bzw. - abfalls beim Brennstoffzellenlecktestverfahren mit einer Vorrichtung nach FIG 1.
Einander entsprechende Teile und Parameter sind in beiden Fi- guren mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
FIG 1 zeigt einen Brennstoffzellenstack oder eine Brennstoffzellenbatterie 1 mit einer Anzahl einzelner PEM-Brennstoff- zellen 2. An den Brennstoffzellenstack 1 ist über Zuleitun- gen 3 und zwei Schalter 4 ein regelbares Netzteil oder eine Gleichspannungsquelle 5 angeschlossen. Des Weiteren ist an den Brennstoffzellenstack 1 ein über einen Schalter 6 schaltbarer Entladewiderstand 7 angeschlossen. Zur Durchführung der Zeilspannungsmessungen ist ein Spannungsmessgerät 8 vorgese- hen, welches mit sämtlichen PEM-Brennstoffzellen 2 einzeln verbunden ist. Die Durchführung des Lecktestverfahrens wird insbesondere anhand der FIG 2a, b verdeutlicht. Die Gasräume der einzelnen PEM-Brennstoffzellen 2 weisen vor Beginn des Lecktestverfahrens sowohl anöden- als auch kathodenseitig eine Feuchtig- keit, d.h. einen Wassergehalt auf. Die Brennstoffzellen 2 sind hierbei jedoch nicht mit Wasser überflutet. Bei Beginn des Lecktestverfahrens wird durch den Brennstoffzellenstack 1 ein Gleichstrom derart geleitet, dass die Stromdichte, bezogen auf die Brennstoffzellenmembranen, ca. 1 bis 10 Milli- ampere pro QuadratZentimeter beträgt. Unter der Voraussetzung, dass sämtliche PEM-Brennstoffzellen 2 intakt sind, liegt an jeder dieser Zellen während des Aufladevorgangs die gleiche Spannung an. Die Aufladespannung wird derart gewählt, dass, sofern die einzelnen PEM-Brennstoffzellen 2 intakt sind, nach Beendigung des Aufladevorgangs an jeder Zelle eine Spannung von 1 Volt anliegt. Durch den Aufladevorgang werden in den PEM-Brennstoffzellen 2 Elektrolysevorgänge ausgelöst, d.h. aus den zumindest geringen Mengen an Wasser in den Zellen 2 wird Wasserstoff und Sauerstoff gebildet. Damit läuft während des Aufladevorgangs die umgekehrte Reaktion derjenigen chemischen Reaktion ab, die während des regulären BrennstoffZeilenbetriebs, d.h. während der Spannungsversorgung durch die Brennstoffzellen 2 abläuft.
Während des Aufladevorgangs wird dem Brennstoffzellenstack 1 kein Gas zugeführt. Die Elektrolysevorgänge während des Aufladevorgangs bewirken, dass nach dem Aufladevorgang der Brennstoffzellenstack 1 zumindest kurzzeitig als Energiequelle betreibbar ist. Hierfür sind die geringen, in den An- öden- und Kathodengasräumen der einzelnen PEM-BrennstoffZeilen 2 gebildeten Mengen an Wasserstoff- und Sauerstoffgas ausreichend. Die damit erzeugte nutzbare Spannung steigt während des Aufladevorgangs bei intakten PEM-Brennstoffzellen 2 auf 1 Volt an. Weist eine PEM-Brennstoffzelle 2 jedoch ein Leck auf, so reagieren der in dieser Zelle gebildete
Wasserstoff und Sauerstoff direkt, d.h. unter Herstellung eines Gaskurzschlusses, miteinander, so dass der Aufbau der nutzbaren Spannung in der PEM-Brennstoffzelle 2 verzögert wird. Durch den laufenden Gaskurzschluss wird schließlich nicht die bei intakten Zellen messbare Spannung von 1 Volt erreicht, sondern lediglich eine geringere Spannung, deren Höhe von der Größe des Lecks in der Membran der PEM-Brennstoffzelle 2 abhängt.
In dem in FIG 2a dargestellten Diagramm kennzeichnen die verschiedenen Messkurven A, B,C unterschiedliche Brennstoffzellen 2, welche folgende Eigenschaften aufweisen:
A: Es handelt sich um drei intakte Brennstoffzellen 2. Die geringfügigen Unterschiede zwischen den einzelnen gemessenen Brennstoffzellen 2 sind insbesondere darauf zurückzuführen, dass die Brennstoffzellenmembranen eine geringfügige Gasdiffusion ermöglichen, wobei die Diffusionsraten geringfügig streuen.
B: Die Brennstoffzelle 2 ist aufladbar, jedoch deutlich lang- samer als eine intakte Zelle und nicht auf die volle Zellspannung von IV. Die Zelle weist ein relativ kleines Leck auf. Im Anoden- und/oder Kathodengasraum während des Elektrolysevorgangs gebildetes Gas tritt teilweise in den jeweils anderen Gasraum über.
C: Die Brennstoffzelle 2 ist nahezu nicht aufladbar. Hieraus ist zu schließen, dass die Brennstoffzelle 2 ein relativ großes Leck aufweist. Nahezu der gesamte in der Brennstoffzelle 2 gebildete Wasserstoff und Sauerstoff reagiert bereits kurz- zeitig nach der Bildung zu Wasser. Da der Elektrolysevorgang langsam abläuft, ist diese exotherme Bildung von Wasser jedoch sicherheitstechnisch unkritisch.
Die Position der defekten Brennstoffzellen 2 innerhalb des Brennstoffzellenstacks 1 ist anhand des Aufladeverhaltens der Zellen problemlos feststellbar. Das Lecktestverfahren ist auch bereits während der Montage des Brennstoffzellen- stacks 1, vor dessen Fertigstellung, durchführbar.
FIG 2b veranschaulicht den Lecktest über das Entladeverhalten der Brennstoffzellen 2. Hierbei wird davon ausgegangen, dass sämtliche mit diesem Verfahren getesteten Brennstoffzellen 2 entweder intakt sind oder zumindest ein derart kleines Leck aufweisen, dass diese bis zur Spannung von IV aufladbar sind. Nach der Aufladung der zu testenden Brennstoffzellen 2 auf IV werden diese über einen Entladewiderstand 7 (FIG 1) entladen. Das Entladeverhalten ist in einer Kurvenschar AΛ für vier Brennstoffzellen 2 sowie in zwei Messkurven B CΛ für jeweils eine einzige Brennstoffzelle 2 dargestellt:
Aλ: Die Zellspannung fällt allmählich auf 0V ab. Dabei wird der während der vorausgegangenen Aufladung in den Brennstoffzellen 2 angesammelte Energieinhalt verbraucht. Obwohl sämtliche Brennstoffzellen 2, deren Entladeverhalten in der Messkurvenschar A dargestellt ist, intakt sind, weist die Kur- venschar Aλ, wie durch einen Doppelpfeil verdeutlicht ist, eine relativ große Streubreite auf. Dies verdeutlicht die sehr hohe Sensitivität dieses Tests.
BΛ: Die Spannung an der Brennstoffzelle 2 fällt vergleichs- weise schnell auf 0V ab. Hierbei wirkt die Zelle als Energielieferant. Der Energievorrat der Brennstoffzelle 2 ist jedoch schneller aufgebraucht als im Fall einer intakten Zelle. Die Brennstoffzelle 2 weist ein sehr kleines Leck auf. Sobald der Energievorrat der Brennstoffzelle 2 aufgebraucht ist, wech- seit die an der Zelle gemessene Spannung das Vorzeichen, d.h. die Brennstoffzelle 2 wirkt ab diesem Zeitpunkt als ohmscher Widerstand. Die Energieversorgung erfolgt dabei durch die intakten Zellen innerhalb des BrennstoffZeilenstacks 1.
CΛ: Das Entladeverhalten der Brennstoffzelle 2 ist dem in der Messkurve Bλ dargestellten ähnlich, jedoch weist die Brennstoffzelle 2 ein etwas größeres Leck auf. Im Ausführungsbeispiel wird die Spannung zur Aufladung der Brennstoffzellen 2 an den gesamten Brennstoffzellenstack 1 angelegt. Ebenso ist es jedoch möglich, eine Aufladespannung gezielt an eine einzelne Brennstoffzelle 2 innerhalb des
BrennstoffZeilenstacks 1 anzulegen. Ebenso kann auch das Entladeverhalten einer einzelnen Brennstoffzelle 2 getestet werden, indem diese allein über einen Entladewiderstand entladen wird. In diesem Fall ist, auch bei einer schadhaften Brenn- stoffzelle 2, ein Spannungsabfall lediglich bis 0V messbar.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Ermittlung eines Gaslecks zwischen dem An- odengasraum und dem Kathodengasraum einer PEM-Brennstoff- zelle (2), g e k e n n z e i c hn e t d u r c h folgende Verfahrensschritte : a) Aufladen der Brennstoffzelle (2) mit einem Gleichstrom, b) Messen des zeitlichen Verlaufs der elektrischen Spannung an der Brennstoffzelle (2) .
2. Verfahren nach Anspruch 1, g e k e nn z e i c hn e t du r ch eine Stromdichte beim Aufladevorgang von 1 bis 10 Milliampere pro Quadratzentimeter in der PEM-Brennstoffzelle
(2) .
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, g e k e nn z e i ch n e t du r ch eine an die PEM-Brennstoffzelle (2) beim Aufladevorgang angelegte Spannung von 0,5 bis 2 Volt.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, g e k e nn z e i c hn e t du r c h folgende weitere Verfahrensschritte: c) Beendigung der Aufladung mit Gleichstrom, d) Entladung der PEM-Brennstoffzelle (2) über einen Entla- de iderstand (7), e) Messung des zeitlichen Verlaufs des Spannungsabfalls an der PEM-Brennstoffzelle (2) .
5. Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 4 mit einer an eine PEM-Brennstoffzelle (2) anschließbaren Gleichspannungsquelle (5) und einem an die PEM-Brennstoffzelle (2) anschließbaren Spannungsmessgerät (8) .
EP03735345A 2002-05-07 2003-04-24 Verfahren zur ermittlung eines gaslecks in einer pem-brennstoffzelle Withdrawn EP1502318A1 (de)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
EP03735345A EP1502318A1 (de) 2002-05-07 2003-04-24 Verfahren zur ermittlung eines gaslecks in einer pem-brennstoffzelle

Applications Claiming Priority (4)

Application Number Priority Date Filing Date Title
EP02010338A EP1361620A1 (de) 2002-05-07 2002-05-07 Verfahren zur Ermittlung eines Gaslecks in einer PEM-Brennstoffzelle
EP02010338 2002-05-07
PCT/EP2003/004269 WO2003096459A1 (de) 2002-05-07 2003-04-24 Verfahren zur ermittlung eines gaslecks in einer pem-brennstoffzelle
EP03735345A EP1502318A1 (de) 2002-05-07 2003-04-24 Verfahren zur ermittlung eines gaslecks in einer pem-brennstoffzelle

Publications (1)

Publication Number Publication Date
EP1502318A1 true EP1502318A1 (de) 2005-02-02

Family

ID=29225620

Family Applications (2)

Application Number Title Priority Date Filing Date
EP02010338A Withdrawn EP1361620A1 (de) 2002-05-07 2002-05-07 Verfahren zur Ermittlung eines Gaslecks in einer PEM-Brennstoffzelle
EP03735345A Withdrawn EP1502318A1 (de) 2002-05-07 2003-04-24 Verfahren zur ermittlung eines gaslecks in einer pem-brennstoffzelle

Family Applications Before (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
EP02010338A Withdrawn EP1361620A1 (de) 2002-05-07 2002-05-07 Verfahren zur Ermittlung eines Gaslecks in einer PEM-Brennstoffzelle

Country Status (6)

Country Link
US (1) US20060035118A1 (de)
EP (2) EP1361620A1 (de)
JP (1) JP2005524951A (de)
AU (1) AU2003236837A1 (de)
CA (1) CA2487242A1 (de)
WO (1) WO2003096459A1 (de)

Families Citing this family (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP4222019B2 (ja) * 2002-12-17 2009-02-12 トヨタ自動車株式会社 燃料電池の診断方法
JP5105218B2 (ja) * 2005-06-06 2012-12-26 トヨタ自動車株式会社 異常判定装置
DE102006008254A1 (de) * 2006-02-22 2007-08-30 Siemens Ag Verfahren und Vorrichtung zur Erkennung eines Gaslecks in einer Brennstoffzellenanordnung
FR2925982B1 (fr) * 2007-12-27 2010-07-30 Air Liquide Procede de diagnostic d'une pile a combustible
JP5818227B2 (ja) 2010-10-25 2015-11-18 日産自動車株式会社 燃料電池システム
DE102018209932A1 (de) * 2018-06-20 2019-12-24 Robert Bosch Gmbh Verfahren und System zur Erkennung einer Leckage innerhalb einer Membran einer Brennstoffzelle
US11404710B2 (en) * 2018-12-17 2022-08-02 Cummins Enterprise Llc Assembled portion of a solid oxide fuel cell and methods for inspecting the same
DE102021206094A1 (de) 2021-06-15 2022-12-15 Robert Bosch Gesellschaft mit beschränkter Haftung Steuergerät für einen Brennstoffzellenstapel

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH0927336A (ja) * 1995-07-13 1997-01-28 Toshiba Corp 燃料電池スタックの診断方法
DE19649434C1 (de) * 1996-11-28 1998-01-15 Siemens Ag Verfahren zur Ermittlung von Gaslecks in Brennstoffzellen
US6096448A (en) * 1997-12-23 2000-08-01 Ballard Power Systems Inc. Method and apparatus for operating an electrochemical fuel cell with periodic fuel starvation at the anode
JPH11260385A (ja) * 1999-01-18 1999-09-24 Mitsubishi Electric Corp 燃料電池保護方法および保護装置ならびに燃料電池装置
US6798221B2 (en) * 2001-10-22 2004-09-28 Ballard Power Systems Inc. Method, apparatus and article to test fuel cells

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
See references of WO03096459A1 *

Also Published As

Publication number Publication date
JP2005524951A (ja) 2005-08-18
WO2003096459A1 (de) 2003-11-20
EP1361620A1 (de) 2003-11-12
US20060035118A1 (en) 2006-02-16
CA2487242A1 (en) 2003-11-20
AU2003236837A1 (en) 2003-11-11

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP0914685B1 (de) Verfahren zum betreiben einer pem-brennstoffzellenanlage
DE10393322T5 (de) System zum Bestimmen einer Gaszusammensetzung in einer abgeschalteten Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage und Betriebsverfahren
DE10393382T5 (de) Flüssigbrennstoffdirektzufuhr-Brennstoffzellensystem; Verfahren zur Betriebssteuerung und Betriebssteuervorrichtung
EP3443610B1 (de) Ersatzschaltbildbasiertes brennstoffzellenprognosemodell
DE102011008728B4 (de) Verfahren und System zum Feststellen eines Membranfehlers in einer Brennstoffzelle
DE102016111437A1 (de) Verfahren und Vorrichtung zum Diagnostizieren eines Zustands eines Brennstoffzellenstapels
WO1998024137A1 (de) Verfahren zum erkennen eines gaslecks in einer brennstoffzellenanlage mit polymerelektrolyten und brennstoffzellenanlage
EP1280218A1 (de) Verfahren zur Regelung der Methanolkonzentration in direkt-Methanol-Brennstoffzellen
DE102014208680A1 (de) Verfahren zur Überwachung von Stromsensoren
EP1502318A1 (de) Verfahren zur ermittlung eines gaslecks in einer pem-brennstoffzelle
DE102015121543B4 (de) Prüfverfahren für eine Brennstoffzelle
DE102018202111A1 (de) Verfahren zum Starten eines Brennstoffzellensystems bei Vorliegen von Froststartbedingungen
EP3676898B1 (de) Verfahren zum schutz von einzelzellen, brennstoffzellensystem und kraftfahrzeug
DE102007040837A1 (de) Verfahren zum zerstörungsfreien Erkennen eines Gaslecks in einer Brennstoffzelle sowie Brennstoffzellenanlage zur Durchführung des Verfahrens
DE102009026563A1 (de) Automatische Desaktivierung schadhafter Brennstoffzellen eines Brennstoffzellenstapels
DE10226339A1 (de) Verfahren und Anordnung zum Testen und/oder Überwachen von Brennstoffzellen
EP3963654B1 (de) Verfahren und system zur untersuchung einer brennstoffzelle mittels einer zyklovoltammetrischen messung
DE19904506C2 (de) Verfahren und Vorrichtung zur quantitativen Bestimmung von Alkoholen
DE1944373A1 (de) Wiederaufladbare gasdichte Zelleneinheit mit Messfuehler-Elektrode und Ladevorrichtung
DE102013216488B4 (de) Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung einer Energiespeichereinheit
DE102013021472A1 (de) Verfahren und Vorrichtung zur Überwachung eines Betriebszustands mindestens einer Brennstoffzelle
EP1837941B1 (de) Verfahren zur Lokalisierung einer mangelhaften Betriebsgasversorgung einer Brennstoffzelle in einer Brennstoffzellenanordnung
EP4043899A1 (de) Anordnung und verfahren zur automatisierten detektion einer elektrischen gefährdung vor montagearbeiten an hochvoltbatterien des akkumulator-typs
DE102012002211A1 (de) Prüfverfahren zur Identifikation eines elektrischen Kurzschlusses innerhalb eines Brennstoffzellenstapels
WO2024033239A2 (de) Verfahren zum ermitteln eines elektrischen widerstands zumindest einer brennstoffzelle, brennstoffzellensystem sowie fahrzeug

Legal Events

Date Code Title Description
PUAI Public reference made under article 153(3) epc to a published international application that has entered the european phase

Free format text: ORIGINAL CODE: 0009012

17P Request for examination filed

Effective date: 20041102

AK Designated contracting states

Kind code of ref document: A1

Designated state(s): AT BE BG CH CY CZ DE DK EE ES FI FR GB GR HU IE IT LI LU MC NL PT RO SE SI SK TR

AX Request for extension of the european patent

Extension state: AL LT LV MK

DAX Request for extension of the european patent (deleted)
RBV Designated contracting states (corrected)

Designated state(s): DE FR GB IT

STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: THE APPLICATION IS DEEMED TO BE WITHDRAWN

18D Application deemed to be withdrawn

Effective date: 20101102