WO2018215123A1 - Verfahren zur erkennung einer leckage in einem brennstoffzellensystem und brennstoffzellensystem - Google Patents

Verfahren zur erkennung einer leckage in einem brennstoffzellensystem und brennstoffzellensystem Download PDF

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    • Y02T90/40—Application of hydrogen technology to transportation, e.g. using fuel cells

Definitions

  • the fuel cell system The fuel cell system
  • the invention relates to a method for detecting a leak in a fuel cell system, which comprises a fuel cell unit with an anode and a cathode, a compressed gas reservoir, a pressure reducer and a
  • the invention also relates to a fuel cell system to which the method according to the invention is applicable.
  • a fuel cell is a galvanic cell, which is the chemical
  • a fuel cell is therefore an electrochemical energy converter.
  • known fuel cells in particular hydrogen (H2) and oxygen (02) in water (H20), electrical
  • Fuel cells further include an anode and a cathode.
  • the fuel is supplied to the anode of the fuel cell and catalytically oxidized to protons with release of electrons.
  • the protons pass through the membrane to the cathode.
  • the emitted electrons are discharged from the fuel cell and flow through an external circuit to the cathode.
  • the oxidant is supplied to the cathode of the fuel cell and reacts by absorbing the electrons from the external circuit and protons that have passed through the membrane to the cathode to water. That so
  • resulting product water is derived from the fuel cell.
  • a voltage is applied between the anode and the cathode of the fuel cell.
  • a plurality of fuel cells can be arranged mechanically one behind the other to form a fuel cell stack and electrically connected in series.
  • a generic fuel cell system, in particular for use in motor vehicles, is known from DE 10 2014 013 670 AI.
  • Fuel cell system includes a fuel cell unit having a plurality of fuel cells, with an anode and a cathode. Hydrogen as fuel is stored in a compressed gas storage and over
  • Air which oxygen as
  • the cathode is supplied by an electrically driven compressor or compressor.
  • Fuel cell system known.
  • the fuel cell system additionally comprises a circulation pump. Excess hydrogen is removed from the anode and mixed with the fresh hydrogen by the circulation pump.
  • valve stages to increase the reduction ratio of the regulator and a special application for an anode input side of a
  • a pressure control by means of a flow control pressure regulator, wherein a membrane assembly with
  • Double membrane is provided. When a first membrane transmits hydrogen, a leak can be detected before the hydrogen reaches the second membrane and the air side of the pressure regulator.
  • DE 102 31 208 A1 describes a method and a device for testing a fuel cell system. The method or the
  • Devices are designed to check whether the fuel cell system on the anode side and / or cathode side is gastight and / or if there is leakage between the anode side and the cathode side of the fuel cell system. Disclosure of the invention
  • the fuel cell system in this case has a fuel cell unit with an anode and a cathode, a
  • Compressed gas storage a pressure reducer and an injector.
  • the compressed gas storage is connected via a high pressure line to the pressure reducer
  • the pressure reducer is connected via a medium pressure line to the injector
  • the injector is connected via an injection line with the
  • Fuel cell unit connected.
  • the fuel in particular flows from the compressed gas reservoir through the high-pressure line to the pressure reducer.
  • the time interval is for example one minute.
  • a first quantity of fuel contained in the compressed gas reservoir is calculated in step a) for determining the outflow quantity of fuel flowing out of the compressed gas reservoir in the predetermined time interval at the beginning of the time interval.
  • a second amount of fuel contained in the compressed gas storage is calculated at the end of the time interval.
  • the discharge amount Mab is then calculated as the difference between the first quantity M1 and the second quantity M2. It thus applies:
  • a high pressure in the compressed gas storage or in the arranged between the compressed gas storage and the pressure reducer high pressure line is measured to calculate the first amount of fuel and for calculating the second amount of fuel.
  • a fuel temperature in the compressed gas storage or in the high pressure line is measured. From the high pressure PI, the
  • the other sizes include in particular:
  • a mean pressure in the arranged between the pressure reducer and the injector medium pressure line is measured in the step b) for determining the flowing in the predetermined time interval through the injector flow rate of fuel during the time interval, and there is an injection pressure in one between the injector and the
  • Fuel cell unit arranged injection line measured. From the medium pressure and the injection pressure, the flow rate is then calculated by means of a corresponding characteristic curve of the injector.
  • the injector by means of
  • Pulse width modulation controlled wherein the pulse width modulation has a duty cycle.
  • the characteristic curve of the injector describes a dependence of the flow rate M by the mean pressure P2, the injection pressure P3 and the duty cycle Ta during the time interval.
  • the characteristic of the injector can be described by a mathematical function F. The following applies:
  • the medium pressure P2, the injection pressure P3 and the duty Ta may change during the time interval.
  • a flow rate continuously determined by means of a corresponding function is integrated over the time interval, and the flow rate Mby corresponds to the integral of the determined flow rate over the
  • Time points within the time interval each determined a discrete flow rate.
  • the determined discrete flow rates are added, and the flow rate M by then corresponds to the sum of the discrete ones
  • the characteristic describes a mutual dependence of physical quantities of the injector. Due to an accurate manufacturing of the injector and knowledge of the injector used, the person skilled in the characteristic of the injector is known.
  • the characteristic curve represents a theoretical model of the injector Accuracy of the characteristic can be adjusted and optimized by measuring the injector. The optimization takes place, for example, by introducing further parameters into the theoretical model.
  • the method can also be carried out approximately continuously, in which the values of the discharge amount Mab and the flow rate M take are determined repeatedly, in particular cyclically.
  • the values of the first set M1 can be stored in a ring buffer.
  • the value of the second set M2 can be determined directly, and the value of the first set M1 can be taken from the ring buffer for a defined time from the past.
  • Fuel cell unit with an anode and a cathode, a
  • Compressed gas storage a pressure reducer and an injector includes.
  • the compressed gas storage is connected via a high pressure line to the pressure reducer
  • the pressure reducer is connected via a medium pressure line to the injector
  • the injector is connected via an injection line with the
  • Fuel cell unit connected.
  • means for determining a discharge quantity flowing out of the compressed gas reservoir in a predetermined time interval are present
  • means are also provided for comparing the amount of outflow of fuel with the flow rate of fuel.
  • Said means are realized, for example, in the form of an electronic circuit.
  • means for generating an error signal when a difference between the outflow quantity and the flow rate exceeds a predetermined limit are also provided.
  • Said means are realized, for example, in the form of an electronic circuit.
  • the means for determining the outflow of fuel flowing out of the compressed gas reservoir in the predetermined time interval comprise a first pressure sensor which is located in the compressed gas reservoir or in the between the compressed gas reservoir and the
  • Pressure reducer arranged high-pressure line is arranged, and a temperature sensor, which is arranged in the compressed gas storage or in the arranged between the compressed gas storage and the pressure reducer high pressure line.
  • the first pressure sensor and the temperature sensor are thus arranged upstream of the pressure reducer and measure a high pressure of the fuel and a fuel temperature.
  • Compressed gas storage as well as in the high pressure line is, for example, in a range of up to 350 bar or up to 700 bar at a full
  • Compressed gas storage During operation, the compressed gas storage is emptied, for example, down to about 20 bar.
  • Flow rate of fuel a second pressure sensor, which is arranged in the disposed between the pressure reducer and the injector medium pressure line, and a third pressure sensor, which is arranged in the arranged between the injector and the fuel cell unit Einblas effet.
  • the second pressure sensor is thus located downstream of the pressure reducer and upstream of the injector and measures a mean pressure of the
  • the mean pressure of the fuel in the medium pressure line is for example in a range of 9 bar to 13 bar or 10 bar to 20 bar.
  • the third pressure sensor is thus located downstream of the injector and upstream of the fuel cell unit and measures a blowing pressure of the fuel.
  • the injection pressure of the fuel in the injection line is, for example, in a range of 1 bar to 3 bar.
  • the injector can be controlled by means of pulse width modulation, which has a duty cycle.
  • pulse width modulation which has a duty cycle.
  • a dependency of the flow rate on a mean pressure measured by the second pressure sensor, a blow-in pressure measured by the third pressure sensor and the duty cycle can be described by a characteristic curve of the injector.
  • An inventive method for operating a fuel cell system and a fuel cell system according to the invention advantageously find use in a motor vehicle.
  • the inventive method allows detection of a leak in a fuel cell system, in particular a leak in a line between the compressed gas storage and the anode of the fuel cell unit during operation of the fuel cell system. There is no need for a separate flowmeter. In addition, no external sensors for determining the fuel, in particular for the detection of hydrogen, outside of the fuel cell system is required. The detection of leakage in the fuel cell system is relatively high
  • Figure 1 is a schematic representation of a fuel cell system.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a fuel cell system 1.
  • the fuel cell system 1 comprises a fuel cell unit 3, which has a plurality of fuel cells (not explicitly shown here).
  • the fuel cell system 1 comprises a fuel cell unit 3, which has a plurality of fuel cells (not explicitly shown here).
  • Fuel cell unit 3 has an anode 21 and a cathode 22.
  • the individual fuel cells each have negative electrodes, which together form the anode 21 of the fuel cell unit 3.
  • the individual fuel cells each have positive electrodes, which together form the cathode 22 of the fuel cell unit 3.
  • the fuel cell unit 3 has a negative terminal 11, which is electrically connected to the anode 21.
  • Fuel cell unit 3 a positive terminal 12, which is electrically connected to the cathode 22. Between the negative terminal 11 and the positive terminal 12 of the fuel cell unit 3 is in operation of the
  • Fuel cell system 1 to an electrical voltage.
  • Fuel cell unit 3 are connected to a vehicle electrical system, not shown here.
  • a cooling device not shown here is provided.
  • the fuel cell system 1 comprises a compressed gas reservoir 36 for
  • Compressed gas reservoir 36 is connected via a high-pressure line 41 to a pressure reducer 70.
  • a high pressure PI of, for example, 350 bar to 700 bar.
  • Pressure reducer 70 is connected via an intermediate pressure line 42 to an injector 72.
  • the pressure reducer 70 reduces the pressure in the medium-pressure line 42 such that, for example, a mean pressure P2 of 10 bar to 20 bar prevails in the medium-pressure line 42.
  • the injector 72 is connected via an injection line 43 to the fuel cell unit 3, in particular to the anode 21.
  • the injector 72 reduces the pressure in the injection line 43 such that in the injection line 43, for example, a blow-in pressure P3 of 1 bar to 3 bar prevails.
  • the injection line 43 serves to supply the fuel, in particular hydrogen, to the anode 21 of the fuel cell unit 3.
  • the fuel in particular hydrogen, flows in a first flow direction 51 from the compressed gas storage 36 to the anode 21 of the fuel cell unit 3.
  • the fuel cell system 1 also comprises a first discharge line 57 for discharging excess fuel from the anode 21.
  • water separator At the first discharge line 57 a not shown here water separator is provided. In the water separator, water is separated from the fuel. The fuel is thereby by means of a not shown here
  • Fuel cell unit 3 supplied.
  • the fuel cell system 1 further includes a supply line 66 to
  • the supply line 66 is connected, for example, with a compressor, not shown here.
  • the compressor sucks in air via an air filter, compresses the sucked air and guides the compressed air in a second flow direction 61 to the cathode 22 of the
  • the fuel cell system 1 also includes a second discharge line 67 for discharging excess oxidant from the cathode 22.
  • the second Discharge line 67 also serves to remove product water, which by the electrochemical reaction in the fuel cells of the
  • Fuel cell unit 3 is formed.
  • a first pressure sensor 45 is arranged in the high pressure line 41 arranged between the compressed gas reservoir 36 and the pressure reducer 70. Alternatively, the first pressure sensor 45 may also be arranged in the compressed gas reservoir 36. The first pressure sensor 45 is for measuring the high pressure PI.
  • a temperature sensor 44 is likewise arranged in the high pressure line 41 arranged between the compressed gas reservoir 36 and the pressure reducer 70.
  • the temperature sensor 44 may alternatively also be arranged in the compressed gas storage 36.
  • the temperature sensor 44 is used to measure a
  • a second pressure sensor 46 is arranged in the intermediate pressure line 42 arranged between the pressure reducer 70 and the injector 72.
  • Pressure sensor 46 is used to measure the medium pressure P2.
  • a third pressure sensor 47 is arranged in the injection line 43 arranged between the injector 72 and the fuel cell unit 3. The third pressure sensor 47 is used to measure the injection pressure P3.
  • the first pressure sensor 45 and the temperature sensor 44 are disposed upstream of the pressure reducer 70.
  • the second pressure sensor 46 is disposed downstream of the pressure reducer 70 and upstream of the injector 72.
  • the third pressure sensor 47 is disposed downstream of the injector 72 and upstream of the fuel cell unit 3.
  • the injector 72 can be activated by means of pulse width modulation.
  • the pulse width modulation has a variable duty cycle Ta.
  • a characteristic of the injector 72 describes a relationship between the average pressure P2 measured by the second pressure sensor 46, the injection pressure P3 measured by the third pressure sensor 47 and the duty Ta.
  • the first pressure sensor 45 and the temperature sensor 44 serve to determine a discharge amount Mab of fuel which flows out of the compressed gas reservoir 36 in a predetermined time interval.
  • the second pressure sensor 46 and the third pressure sensor 47 serve to determine a flow amount M prepare flowing through the injector 72 in the predetermined time interval

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erkennung einer Leckage in einem Brennstoffzellensystem (1), welches eine Brennstoffzelleneinheit (3) mit einer Anode (21) und einer Kathode (22), einen Druckgasspeicher (36), einen Druckminderer (70) und einen Injektor (72) aufweist, und umfasst folgende Schritte: Bestimmung einer in einem vorgegebenen Zeitintervall aus dem Druckgasspeicher (36) abfließenden Abflussmenge (Mab) an Brennstoff; Bestimmung einer in dem vorgegebenen Zeitintervall durch den Injektor (72) fließenden Durchflussmenge (Mdurch) an Brennstoff; Vergleich der Abflussmenge (Mab) an Brennstoff mit der Durchflussmenge (Mdurch) an Brennstoff; Erzeugen eines Fehlersignals, wenn eine Differenz aus der Abflussmenge (Mab) und der Durchflussmenge (Mdurch) einen vorgegebenen Grenzwert überschreitet. Die Erfindung betrifft auch ein Brennstoffzellensystem (1), welches eine Brennstoffzelleneinheit (3) mit einer Anode (21) und einer Kathode (22), einen Druckgasspeicher (36), einen Druckminderer (70) und einen Injektor (72) umfasst. Dabei sind Mittel zur Bestimmung einer in einem vorgegebenen Zeitintervall aus dem Druckgasspeicher (36) abfließenden Abflussmenge (Mab) an Brennstoff und Mittel zur Bestimmung einer in dem vorgegebenen Zeitintervall durch den Injektor (72) fließenden Durchflussmenge (Mdurch) an Brennstoff vorgesehen.

Description

Verfahren zur Erkennung einer Leckage in einem Brennstoffzellensystem und
Brennstoffzellensystem
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erkennung einer Leckage in einem Brennstoffzellensystem, welches eine Brennstoffzelleneinheit mit einer Anode und einer Kathode, einen Druckgasspeicher, einen Druckminderer und einen
Injektor aufweist. Die Erfindung betrifft auch ein Brennstoffzellensystem, auf welches das erfindungsgemäße Verfahren anwendbar ist.
Stand der Technik
Eine Brennstoffzelle ist eine galvanische Zelle, welche die chemische
Reaktionsenergie eines kontinuierlich zugeführten Brennstoffes und eines Oxidationsmittels in elektrische Energie wandelt. Eine Brennstoffzelle ist also ein elektrochemischer Energiewandler. Bei bekannten Brennstoffzellen werden insbesondere Wasserstoff (H2) und Sauerstoff (02) in Wasser (H20), elektrische
Energie und Wärme gewandelt.
Brennstoffzellen weisen ferner eine Anode und eine Kathode auf. Der Brennstoff wird an der Anode der Brennstoffzelle zugeführt und katalytisch unter Abgabe von Elektronen zu Protonen oxidiert. Die Protonen gelangen durch die Membran zu der Kathode. Die abgegebenen Elektronen werden aus der Brennstoffzelle abgeleitet und fließen über einen externen Stromkreis zu der Kathode. Das Oxidationsmittel wird an der Kathode der Brennstoffzelle zugeführt und reagiert durch Aufnahme der Elektronen aus dem externen Stromkreis und mit Protonen, die durch die Membran zur Kathode gelangt sind, zu Wasser. Das so
entstandene Produktwasser wird aus der Brennstoffzelle abgeleitet. Die
Bruttoreaktion lautet:
02 + 4H+ + 4e 2H20 Zwischen der Anode und der Kathode der Brennstoffzelle liegt dabei eine Spannung an. Zur Erhöhung der Spannung können mehrere Brennstoffzellen mechanisch hintereinander zu einem Brennstoffzellenstapel angeordnet und elektrisch in Reihe geschaltet werden.
Ein gattungsgemäßes Brennstoffzellensystem, insbesondere zur Verwendung in Kraftfahrzeugen, ist aus der DE 10 2014 013 670 AI bekannt. Das
Brennstoffzellensystem umfasst eine Brennstoffzelleneinheit, welche mehrere Brennstoffzellen aufweist, mit einer Anode und einer Kathode. Wasserstoff als Brennstoff wird in einem Druckgasspeicher gespeichert und über ein
Druckregelventil der Anode zugeführt. Luft, welche Sauerstoff als
Oxidationsmittel enthält, wird der Kathode durch einen elektrisch angetriebenen Kompressor oder Verdichter zugeführt.
Aus der DE 10 2016 110 620 AI ist ebenfalls ein gattungsgemäßes
Brennstoffzellensystem bekannt. Das Brennstoffzellensystem umfasst dabei zusätzlich eine Zirkulationspumpe. Ein Überschuss an Wasserstoff wird von der Anode abgeführt und durch die Zirkulationspumpe dem frischen Wasserstoff beigemischt.
Die DE 10 2006 023 433 AI beschreibt einen Druckregler, der mehrere
Ventilstufen umfasst um das Reduzierungsverhältnis des Reglers zu erhöhen und eine besondere Anwendung für eine Anodeneingangsseite eines
Brennstoffzellensystems besitzt. Eine Druckregelung erfolgt mittels eines Durchflusssteuerdruckreglers, wobei eine Membrananordnung mit
Doppelmembran vorgesehen ist. Wenn eine erste Membran Wasserstoff durchlässt, kann ein Leck detektiert werden, bevor der Wasserstoff die zweite Membran und die Luftseite des Druckreglers erreicht.
Die DE 102 31 208 AI beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Untersuchung eines Brennstoffzellensystems. Das Verfahren bzw. die
Vorrichtung sind ausgelegt um zu prüfen, ob das Brennstoffzellensystem auf der Anodenseite und/oder Kathodenseite gasdicht ist und/oder ob eine Leckage zwischen der Anodenseite und der Kathodenseite des Brennstoffzellensystems gegeben ist. Offenbarung der Erfindung
Es wird ein Verfahren zur Erkennung einer Leckage in einem
Brennstoffzellensystem vorgeschlagen. Das Brennstoffzellensystem weist dabei eine Brennstoffzelleneinheit mit einer Anode und einer Kathode, einen
Druckgasspeicher, einen Druckminderer und einen Injektor auf. Dabei ist der Druckgasspeicher über eine Hochdruckleitung mit dem Druckminderer verbunden, der Druckminderer ist über eine Mitteldruckleitung mit dem Injektor verbunden, und der Injektor ist über eine Einblasleitung mit der
Brennstoffzelleneinheit verbunden.
In einem Schritt a) erfolgt eine Bestimmung einer in einem vorgegebenen Zeitintervall aus dem Druckgasspeicher abfließenden Abflussmenge an
Brennstoff. Der Brennstoff fließt insbesondere von dem Druckgasspeicher durch die Hochdruckleitung zu dem Druckminderer. Das Zeitintervall beträgt beispielsweise eine Minute.
In einem Schritt b) erfolgt eine Bestimmung einer in dem vorgegebenen
Zeitintervall durch den Injektor fließenden Durchflussmenge an Brennstoff. Der
Brennstoff fließt insbesondere von dem Druckminderer durch die
Mitteldruckleitung zu dem Injektor und weiter durch die Einblasleitung zu der Brennstoffzelleneinheit. In einem Schritt c) erfolgt ein Vergleich der in Schritt a) bestimmten
Abflussmenge an Brennstoff mit der in Schritt b) bestimmten Durchflussmenge an Brennstoff. Dabei wird insbesondere eine Differenz aus der Abflussmenge und der Durchflussmenge gebildet.
Wenn die Differenz aus Abflussmenge Mab und der Durchflussmenge Mdurch einen vorgegebenen Grenzwert GW überschreitet, so wird in einem Schritt d) ein Fehlersignal erzeugt. Das Fehlersignal wird also erzeugt, wenn gilt:
Mab - Mdurch > GW Wenn die Differenz aus der aus dem Druckgasspeicher abfließenden
Abflussmenge an Brennstoff und der durch den Injektor fließenden
Durchflussmenge an Brennstoff den vorgegebenen Grenzwert überschreitet, so lässt sich auf eine Leckage in dem Brennstoffzellensystem schließen. Das Fehlersignal weist somit auf eine erkannte Leckage in dem
Brennstoffzellensystem hin.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird in dem Schritt a) zur Bestimmung der in dem vorgegebenen Zeitintervall aus dem Druckgasspeicher abfließenden Abflussmenge an Brennstoff zu Beginn des Zeitintervalls eine in dem Druckgasspeicher enthaltene erste Menge an Brennstoff berechnet. Am Ende des Zeitintervalls wird eine in dem Druckgasspeicher enthaltene zweite Menge an Brennstoff berechnet. Die Abflussmenge Mab wird dann als Differenz aus der ersten Menge Ml und der zweiten Menge M2 berechnet. Es gilt somit:
Mab = Ml - M2
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird zur Berechnung der ersten Menge an Brennstoff sowie zur Berechnung der zweiten Menge an Brennstoff ein Hochdruck in dem Druckgasspeicher oder in der zwischen dem Druckgasspeicher und dem Druckminderer angeordneten Hochdruckleitung gemessen. Ebenso wird eine Brennstofftemperatur in dem Druckgasspeicher oder in der Hochdruckleitung gemessen. Aus dem Hochdruck PI, der
Brennstofftemperatur Tl und weiteren Größen wird dann die erste Menge Ml an Brennstoff und/oder die zweite Menge M2 an Brennstoff berechnet. Zu den weiteren Größen zählen insbesondere:
der Normaldruck PO = 1013 hPA,
die Normaltemperatur TO = 298 K,
die molare Masse des Brennstoffs M = 2 g (für Wasserstoff als Brennstoff), das molare Volumen Vm = 22,4 I
sowie ein Nettovolumen V0 des Druckgasspeichers. Es gilt:
Ml = P1/P0 * T1/T0 * M/Vm * V0 (zu Beginn des Zeitintervalls)
M2 = P1/P0 * T1/T0 * M/Vm * V0 (am Ende des Zeitintervalls) Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird in dem Schritt b) zur Bestimmung der in dem vorgegebenen Zeitintervall durch den Injektor fließenden Durchflussmenge an Brennstoff während des Zeitintervalls ein Mitteldruck in der zwischen dem Druckminderer und dem Injektor angeordneten Mitteldruckleitung gemessen, und es wird ein Einblasdruck in einer zwischen dem Injektor und der
Brennstoffzelleneinheit angeordneten Einblasleitung gemessen. Aus dem Mitteldruck und dem Einblasdruck wird dann mittels einer entsprechenden Kennlinie des Injektors die Durchflussmenge berechnet. Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird der Injektor mittels
Pulsweitenmodulation gesteuert, wobei die Pulsweitenmodulation einen Tastgrad aufweist. Die Kennlinie des Injektors beschreibt dabei eine Abhängigkeit der Durchflussmenge Mdurch von dem Mitteldruck P2, dem Einblasdruck P3 und dem Tastgrad Ta während des Zeitintervalls. Die Kennlinie des Injektors kann durch eine mathematische Funktion F beschrieben werden. Es gilt:
Mdurch = F(P2, P3, Ta)
Der Mitteldruck P2, der Einblasdruck P3 und der Tastgrad Ta können sich während des Zeitintervalls ändern. Zur Ermittlung der Durchflussmenge Mdurch wird daher beispielsweise während des Zeitintervalls eine Durchflussrate kontinuierlich mittels einer entsprechenden Funktion ermittelt. Die ermittelte Durchflussrate wird über das Zeitintervall integriert, und die Durchflussmenge Mdurch entspricht dem Integral der ermittelten Durchflussrate über das
Zeitintervall. Zur praktischen Ermittlung der Durchflussmenge Mdurch wird beispielsweise mittels einer entsprechenden Funktion für viele einzelne
Zeitpunkte innerhalb des Zeitintervalls jeweils eine diskrete Durchflussrate ermittelt. Die ermittelten diskreten Durchflussraten werden addiert, und die Durchflussmenge Mdurch entspricht dann der Summe der diskreten
Durchflussraten.
Die Kennlinie beschreibt eine gegenseitige Abhängigkeit physikalischer Größen des Injektors. Durch eine genaue Fertigung des Injektors und Kenntnis des eingesetzten Injektors ist dem Fachmann die Kennlinie des Injektors bekannt. Die Kennlinie stellt dabei ein theoretisches Modell des Injektors dar. Die Genauigkeit der Kennlinie kann durch Vermessung des Injektors angepasst und optimiert werden. Die Optimierung erfolgt beispielsweise durch Einbringen weiterer Parameter in das theoretische Modell.
Das Verfahren kann auch annährend kontinuierlich durchgeführt werden, in dem die Werte der Abflussmenge Mab und der Durchflussmenge Mdurch wiederholt, insbesondere zyklisch, bestimmt werden. Beispielsweise können die Werte der ersten Menge Ml in einem Ringbuffer gespeichert werden. Zu einem jeweils aktuellen Zeitpunkt kann der Wert der zweiten Menge M2 direkt bestimmt werden, und der Wert der ersten Menge Ml kann für einen definierten Zeitpunkt aus der Vergangenheit aus dem Ringbuffer entnommen werden.
Es wird auch ein Brennstoffzellensystem vorgeschlagen, welches eine
Brennstoffzelleneinheit mit einer Anode und einer Kathode, einen
Druckgasspeicher, einen Druckminderer und einen Injektor umfasst. Dabei ist der Druckgasspeicher über eine Hochdruckleitung mit dem Druckminderer verbunden, der Druckminderer ist über eine Mitteldruckleitung mit dem Injektor verbunden, und der Injektor ist über eine Einblasleitung mit der
Brennstoffzelleneinheit verbunden.
Erfindungsgemäß sind Mittel zur Bestimmung einer in einem vorgegebenen Zeitintervall aus dem Druckgasspeicher abfließenden Abflussmenge an
Brennstoff vorgesehen, und es sind Mittel zur Bestimmung einer in dem vorgegebenen Zeitintervall durch den Injektor fließenden Durchflussmenge an Brennstoff vorgesehen.
Durch die Bestimmung der in einem vorgegebenen Zeitintervall aus dem
Druckgasspeicher abfließenden Abflussmenge an Brennstoff und die
Bestimmung der in dem vorgegebenen Zeitintervall durch den Injektor fließenden Durchflussmenge an Brennstoff ist eine Leckage in dem Brennstoffzellensystem erkennbar.
Vorzugsweise sind auch Mittel zum Vergleich der Abflussmenge an Brennstoff mit der Durchflussmenge an Brennstoff vorgesehen. Besagte Mittel sind beispielsweise in Form einer elektronischen Schaltung realisierbar. Vorzugsweise sind auch Mittel zum Erzeugen eines Fehlersignals, wenn eine Differenz aus der Abflussmenge und der Durchflussmenge einen vorgegebenen Grenzwert überschreitet, vorgesehen. Besagte Mittel sind beispielsweise in Form einer elektronischen Schaltung realisierbar.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung umfassen die Mittel zur Bestimmung der in dem vorgegebenen Zeitintervall aus dem Druckgasspeicher abfließenden Abflussmenge an Brennstoff einen ersten Drucksensor, welcher in dem Druckgasspeicher oder in der zwischen dem Druckgasspeicher und dem
Druckminderer angeordneten Hochdruckleitung angeordnet ist, und einen Temperatursensor, welcher in dem Druckgasspeicher oder in der zwischen dem Druckgasspeicher und dem Druckminderer angeordneten Hochdruckleitung angeordnet ist.
Der erste Drucksensor und der Temperatursensor sind somit stromaufwärts des Druckminderers angeordnet und messen einen Hochdruck des Brennstoffs sowie eine Brennstofftemperatur. Der Hochdruck des Brennstoffs in dem
Druckgasspeicher sowie in der Hochdruckleitung liegt beispielsweise in einem Bereich von bis zu 350 bar oder bis zu 700 bar bei einem vollen
Druckgasspeicher. Während des Betriebs wird der Druckgasspeicher beispielsweise dann bis hinunter auf etwa 20 bar entleert.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung umfassen die Mittel zur Bestimmung der in dem vorgegebenen Zeitintervall durch den Injektor fließenden
Durchflussmenge an Brennstoff einen zweiten Drucksensor, welcher in der zwischen dem Druckminderer und dem Injektor angeordneten Mitteldruckleitung angeordnet ist, und einen dritten Drucksensor, welcher in der zwischen dem Injektor und der Brennstoffzelleneinheit angeordneten Einblasleitung angeordnet ist.
Der zweite Drucksensor ist somit stromabwärts des Druckminderers und stromaufwärts des Injektors angeordnet und misst einen Mitteldruck des
Brennstoffs. Der Mitteldruck des Brennstoffs in der Mitteldruckleitung liegt beispielsweise in einem Bereich von 9 bar bis 13 bar oder von 10 bar bis 20 bar. Der dritte Drucksensor ist somit stromabwärts des Injektors und stromaufwärts der Brennstoffzelleneinheit angeordnet und misst einen Einblasdruck des Brennstoffs. Der Einblasdruck des Brennstoffs in der Einblasleitung liegt beispielsweise in einem Bereich von 1 bar bis 3 bar.
Vorzugsweise ist der Injektor mittels Pulsweitenmodulation ansteuerbar, welche einen Tastgrad aufweist. Dabei ist eine Abhängigkeit der Durchflussmenge von einem von dem zweiten Drucksensor gemessenen Mitteldruck, einem von dem dritten Drucksensor gemessenen Einblasdruck und dem Tastgrad durch eine Kennlinie des Injektors beschreibbar.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Betrieb eines Brennstoffzellensystems sowie ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem finden vorteilhaft Verwendung in einem Kraftfahrzeug.
Vorteile der Erfindung
Das erfindungsgemäße Verfahren gestattet eine Erkennung einer Leckage in einem Brennstoffzellensystem, insbesondere einer Undichtigkeit in einer Leitung zwischen dem Druckgasspeicher und der Anode der Brennstoffzelleneinheit im laufenden Betrieb des Brennstoffzellensystems. Dabei wird kein separater Durchflussmesser benötigt. Darüber hinaus ist auch keine externe Sensorik zur Bestimmung des Brennstoffs, insbesondere zum Nachweis von Wasserstoff, außerhalb des Brennstoffzellensystems erforderlich. Die Erkennung einer Leckage in dem Brennstoffzellensystem ist dabei mit verhältnismäßig hoher
Genauigkeit und in verhältnismäßig kurzer Zeit, beispielsweise innerhalb einer Minute, durchführbar.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Ausführungsformen der Erfindung werden anhand der Zeichnung und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Es zeigt: Figur 1 eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellensystems.
Ausführungsformen der Erfindung In der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsformen der Erfindung werden gleiche oder ähnliche Elemente mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente in Einzelfällen verzichtet wird. Die Figuren stellen den Gegenstand der Erfindung nur schematisch dar.
Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellensystems 1. Das Brennstoffzellensystem 1 umfasst eine Brennstoffzelleneinheit 3, welche mehrere, hier nicht explizit dargestellte Brennstoffzellen aufweist. Die
Brennstoffzelleneinheit 3 weist eine Anode 21 und eine Kathode 22 auf. Die einzelnen Brennstoffzellen weisen jeweils negative Elektroden auf, welche gemeinsam die Anode 21 der Brennstoffzelleneinheit 3 bilden. Die einzelnen Brennstoffzellen weisen jeweils positive Elektroden auf, welche gemeinsam die Kathode 22 der Brennstoffzelleneinheit 3 bilden. Die Brennstoffzelleneinheit 3 weist ein negatives Terminal 11 auf, welches elektrisch mit der Anode 21 verbunden ist. Ebenso weist die
Brennstoffzelleneinheit 3 ein positives Terminal 12 auf, welches elektrisch mit der Kathode 22 verbunden ist. Zwischen dem negativen Terminal 11 und dem positiven Terminal 12 der Brennstoffzelleneinheit 3 liegt im Betrieb des
Brennstoffzellensystems 1 eine elektrische Spannung an.
Das negative Terminal 11 und das positive Terminal 12 der
Brennstoffzelleneinheit 3 sind mit einem hier nicht dargestellten Bordnetz eines Kraftfahrzeugs verbunden. Zur Kühlung der Brennstoffzelleneinheit 3 ist eine hier nicht dargestellte Kühleinrichtung vorgesehen.
Das Brennstoffzellensystem 1 umfasst einen Druckgasspeicher 36 zur
Speicherung eines Brennstoffs, insbesondere Wasserstoff. Der
Druckgasspeicher 36 ist über eine Hochdruckleitung 41 mit einem Druckminderer 70 verbunden. In dem Druckgasspeicher 36 sowie in der Hochdruckleitung 41 herrscht ein Hochdruck PI von beispielsweise 350 bar bis 700 bar. Der
Druckminderer 70 ist über eine Mitteldruckleitung 42 mit einem Injektor 72 verbunden. Der Druckminderer 70 reduziert den Druck in der Mitteldruckleitung 42 derart, dass in der Mitteldruckleitung 42 beispielsweise ein Mitteldruck P2 von 10 bar bis 20 bar herrscht.
Der Injektor 72 ist über eine Einblasleitung 43 mit der Brennstoffzelleneinheit 3, insbesondere mit der Anode 21, verbunden. Der Injektor 72 reduziert den Druck in der Einblasleitung 43 derart, dass in der Einblasleitung 43 beispielsweise ein Einblasdruck P3 von 1 bar bis 3 bar herrscht. Die Einblasleitung 43 dient zur Zuführung des Brennstoffs, insbesondere Wasserstoff, zu der Anode 21 der Brennstoffzelleneinheit 3.
Im Betrieb des Brennstoffzellensystems 1 fließt der Brennstoff, insbesondere Wasserstoff, in eine erste Strömungsrichtung 51 von dem Druckgasspeicher 36 zu der Anode 21 der Brennstoffzelleneinheit 3. Das Brennstoffzellensystem 1 umfasst auch eine erste Abfuhrleitung 57 zur Abführung von überschüssigem Brennstoff von der Anode 21.
An der ersten Abfuhrleitung 57 ist ein hier nicht dargestellter Wasserabscheider vorgesehen. In dem Wasserabscheider wird Wasser von dem Brennstoff getrennt. Der Brennstoff wird dabei mittels einer hier nicht dargestellten
Zirkulationspumpe über die Einblasleitung 43 wieder der Anode 21 der
Brennstoffzelleneinheit 3 zugeführt.
Das Brennstoffzellensystem 1 umfasst ferner eine Zufuhrleitung 66 zur
Zuführung eines Oxidationsmittels, insbesondere Luft mit Sauerstoff, zu der Kathode 22. Dazu ist die Zufuhrleitung 66 beispielsweise mit einem hier nicht dargestellten Kompressor verbunden. Der Kompressor saugt Luft über einen Luftfilter an, komprimiert die angesaugte Luft und führt die komprimierte Luft in einer zweiten Strömungsrichtung 61 zu der Kathode 22 der
Brennstoffzelleneinheit 3.
Das Brennstoffzellensystem 1 umfasst auch eine zweite Abfuhrleitung 67 zur Abführung von überschüssigem Oxidationsmittel von der Kathode 22. Die zweite Abfuhrleitung 67 dient auch zur Abführung von Produktwasser, welches durch die elektrochemische Reaktion in den Brennstoffzellen der
Brennstoffzelleneinheit 3 entsteht.
Ein erster Drucksensor 45 ist in der zwischen dem Druckgasspeicher 36 und dem Druckminderer 70 angeordneten Hochdruckleitung 41 angeordnet. Der erste Drucksensor 45 kann alternativ auch in dem Druckgasspeicher 36 angeordnet sein. Der erste Drucksensor 45 dient zur Messung des Hochdrucks PI.
Ein Temperatursensor 44 ist ebenfalls in der zwischen dem Druckgasspeicher 36 und dem Druckminderer 70 angeordneten Hochdruckleitung 41 angeordnet. Der Temperatursensor 44 kann alternativ auch in dem Druckgasspeicher 36 angeordnet sein. Der Temperatursensor 44 dient zur Messung einer
Brennstofftemperatur Tl.
Ein zweiter Drucksensor 46 ist in der zwischen dem Druckminderer 70 und dem Injektor 72 angeordneten Mitteldruckleitung 42 angeordnet. Der zweite
Drucksensor 46 dient zur Messung des Mitteldrucks P2. Ein dritter Drucksensor 47 ist in der zwischen dem Injektor 72 und der Brennstoffzelleneinheit 3 angeordneten Einblasleitung 43 angeordnet. Der dritte Drucksensor 47 dient zur Messung des Einblasdrucks P3.
Der erste Drucksensor 45 und der Temperatursensor 44 sind stromaufwärts des Druckminderers 70 angeordnet. Der zweite Drucksensor 46 ist stromabwärts des Druckminderers 70 und stromaufwärts des Injektors 72 angeordnet. Der dritte Drucksensor 47 ist stromabwärts des Injektors 72 und stromaufwärts der Brennstoffzelleneinheit 3 angeordnet.
Der Injektor 72 ist vorliegend mittels Pulsweitenmodulation ansteuerbar. Die Pulsweitenmodulation weist einen variablen Tastgrad Ta auf. Eine Kennlinie des Injektors 72 beschreibt einen Zusammenhang zwischen dem von dem zweiten Drucksensor 46 gemessenen Mitteldruck P2, dem von dem dritten Drucksensor 47 gemessenen Einblasdruck P3 und dem Tastgrad Ta. Der erste Drucksensor 45 und der Temperatursensor 44 dienen zur Bestimmung einer in einem vorgegebenen Zeitintervall aus dem Druckgasspeicher 36 abfließenden Abflussmenge Mab an Brennstoff. Der zweite Drucksensor 46 und der dritte Drucksensor 47 dienen zur Bestimmung einer in dem vorgegebenen Zeitintervall durch den Injektor 72 fließenden Durchflussmenge Mdurch an
Brennstoff.
Die Erfindung ist nicht auf die hier beschriebenen Ausführungsbeispiele und die darin hervorgehobenen Aspekte beschränkt. Vielmehr ist innerhalb des durch die Ansprüche angegebenen Bereichs eine Vielzahl von Abwandlungen möglich, die im Rahmen fachmännischen Handelns liegen.

Claims

Ansprüche
1. Verfahren zur Erkennung einer Leckage in einem
Brennstoffzellensystem (1), welches
eine Brennstoffzelleneinheit (3) mit einer Anode (21) und einer Kathode (22), einen Druckgasspeicher (36), einen Druckminderer (70) und einen Injektor (72) aufweist,
umfassend folgende Schritte:
a. Bestimmung einer in einem vorgegebenen Zeitintervall aus dem Druckgasspeicher (36) abfließenden Abflussmenge (Mab) an Brennstoff;
b. Bestimmung einer in dem vorgegebenen Zeitintervall durch den Injektor (72) fließenden Durchflussmenge (Mdurch) an Brennstoff; c. Vergleich der Abflussmenge (Mab) an Brennstoff mit der
Durchflussmenge (Mdurch) an Brennstoff;
d. Erzeugen eines Fehlersignals, wenn eine Differenz aus der
Abflussmenge (Mab) und der Durchflussmenge (Mdurch) einen vorgegebenen Grenzwert (GW) überschreitet.
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei in Schritt a)
zu Beginn des Zeitintervalls eine in dem Druckgasspeicher (36) enthaltene erste Menge (Ml) an Brennstoff berechnet wird,
am Ende des Zeitintervalls eine in dem Druckgasspeicher (36) enthaltene zweite Menge (M2) an Brennstoff berechnet wird, und die Abflussmenge (Mab) als Differenz aus der ersten Menge (Ml) und der zweiten Menge (M2) berechnet wird. Verfahren nach Anspruch 2, wobei
ein Hochdruck (PI) in dem Druckgasspeicher (36) oder in einer zwischen dem Druckgasspeicher (36) und dem Druckminderer (70) angeordneten Hochdruckleitung (41) gemessen wird,
eine Brennstofftemperatur (Tl) in dem Druckgasspeicher (36) oder in der Hochdruckleitung (41) gemessen wird, und
aus dem Hochdruck (PI), der Brennstofftemperatur (Tl) und weiteren
Größen die erste Menge (Ml) an Brennstoff und/oder die zweite Menge
(M2) an Brennstoff berechnet wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei in Schritt b) während des Zeitintervalls
ein Mitteldruck (P2) in einer zwischen dem Druckminderer (70) und dem Injektor (72) angeordneten Mitteldruckleitung (42) gemessen wird, ein Einblasdruck (P3) in einer zwischen dem Injektor (72) und der Brennstoffzelleneinheit (3) angeordneten Einblasleitung (43) gemessen wird, und
aus dem Mitteldruck (P2) und dem Einblasdruck (P3)
mittels einer entsprechenden Kennlinie des Injektors (72)
die Durchflussmenge (Mdurch) berechnet wird.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei
der Injektor (72) mittels Pulsweitenmodulation gesteuert wird, die Pulsweitenmodulation einen Tastgrad (Ta) aufweist, und die Kennlinie des Injektors (72) eine Abhängigkeit der Durchflussmenge
(Mdurch) von dem Mitteldruck (P2), dem Einblasdruck (P3) und dem
Tastgrad (Ta) beschreibt.
Brennstoffzellensystem (1), umfassend
eine Brennstoffzelleneinheit (3) mit einer Anode (21) und einer Kathode (22), einen Druckgasspeicher (36), einen Druckminderer (70) und einen Injektor (72),
dadurch gekennzeichnet, dass
Mittel zur Bestimmung einer in einem vorgegebenen Zeitintervall aus dem Druckgasspeicher (36) abfließenden Abflussmenge (Mab) an Brennstoff und
Mittel zur Bestimmung einer in dem vorgegebenen Zeitintervall durch den Injektor (72) fließenden Durchflussmenge (Mdurch) an Brennstoff vorgesehen sind.
Brennstoffzellensystem (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass
die Mittel zur Bestimmung der in dem vorgegebenen Zeitintervall aus dem Druckgasspeicher (36) abfließenden Abflussmenge (Mab) an Brennstoff
einen ersten Drucksensor (45), welcher in dem Druckgasspeicher (36) oder in einer zwischen dem Druckgasspeicher (36) und dem
Druckminderer (70) angeordneten Hochdruckleitung (41) angeordnet ist, und
einen Temperatursensor (44), welcher in dem Druckgasspeicher (36) oder in der zwischen dem Druckgasspeicher (36) und dem
Druckminderer (70) angeordneten Hochdruckleitung (41) angeordnet ist, umfassen.
Brennstoffzellensystem (1) nach einem der Ansprüche 6 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass
die Mittel zur Bestimmung der in dem vorgegebenen Zeitintervall durch den Injektor (72) fließenden Durchflussmenge (Mdurch) an Brennstoff einen zweiten Drucksensor (46), welcher in einer zwischen dem
Druckminderer (70) und dem Injektor (72) angeordneten
Mitteldruckleitung (42) angeordnet ist, und
einen dritten Drucksensor (47), welcher in einer zwischen dem Injektor (72) und der Brennstoffzelleneinheit (3) angeordneten Einblasleitung (43) angeordnet ist, umfassen.
9. Brennstoffzellensystem (1) nach Anspruchs 8, dadurch gekennzeichnet, dass
der Injektor (72) mittels Pulsweitenmodulation ansteuerbar ist, welche einen Tastgrad (Ta) aufweist, wobei
eine Abhängigkeit der Durchflussmenge (Mdurch) von einem von dem zweiten Drucksensor (46) gemessenen Mitteldruck (P2), einem von dem dritten Drucksensor (47) gemessenen Einblasdruck (P3) und dem Tastgrad (Ta)
durch eine Kennlinie des Injektors (72) beschreibbar ist.
10. Verwendung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5
und/oder eines Brennstoffzellensystems (1) nach einem der Ansprüche 6 bis 9 in einem Kraftfahrzeug.
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