WO2022002633A1 - Verfahren zur überprüfung mindestens eines ventils innerhalb des anodenpfades eines brennstoffzellensystems - Google Patents

Verfahren zur überprüfung mindestens eines ventils innerhalb des anodenpfades eines brennstoffzellensystems Download PDF

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WO2022002633A1
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Tina Gruber
Stephan Strahl
Sriganesh Sriram
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Robert Bosch Gmbh
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Definitions

  • the present invention is based on a method and a fuel cell system with a measuring arrangement for checking at least one sensor within the anode path of a fuel cell system.
  • Hydrogen-based fuel cell systems are considered to be the mobility concept of the future, as they only emit water as exhaust gas and enable fast refueling times. Fuel cell systems need air and hydrogen for the chemical reaction within the cells. To provide the required amount of energy, the fuel cells arranged within a fuel cell system are interconnected to form what are known as fuel cell stacks. The waste heat from the cells is dissipated by means of a cooling circuit and given off to the environment. The hydrogen required to operate fuel cell systems is usually made available to the systems from high-pressure tanks. For reasons of efficiency and component protection, the dosage is over stoichiometric. In order not to waste the excess hydrogen, the unused part of hydrogen is recirculated within the anode path.
  • the anode gas is usually conveyed back from the anode gas return line via a water separator, a recirculation pump or a jet pump or the like and fed back to the anode together with fresh hydrogen. Since nitrogen continuously diffuses from the cathode side to the anode side during operation of a fuel cell and accumulates there, in order to provide sufficient recirculated hydrogen in nitrogen must be released at regular intervals via a purge valve, as otherwise a continuously lower amount of hydrogen would be pumped back if the flow rate of the recirculation pump remained the same.
  • valves in the anode path must have a high level of accuracy. Due to safety aspects, the valves must not have any leakage whatsoever, so that regular checking of the valves must be ensured as part of the safety concept of the fuel cell system.
  • the subject matter of the invention is a method with the features of the independent method claim, and according to a second aspect, a fuel cell system with a measuring arrangement with the features of the independent device claim. Further features and details of the invention emerge from the respective subclaims, the description and the drawings.
  • the method according to the invention or the fuel cell system according to the invention with a measuring arrangement is used in particular to monitor at least one valve in the anode path of the fuel cell system.
  • the valves in the anode path are responsible for metering the hydrogen into the anode of the fuel cell stack and must also close completely so that no hydrogen from the tank can get into the anode path when the fuel cell system is shut down. This is important to ensure a high level of safety for the fuel cell system.
  • hydrogen can either escape into the environment or via the membrane of the fuel cell into the cathode path, so that hydrogen can accumulate and, as a result, an ignitable mixture can occur.
  • the method according to the invention for checking at least one valve within the anode path of a fuel cell system comprises the following steps; Shutting down the fuel cell system; Closing a first Valve and a second valve; Detecting a first pressure value p1 by means of a sensor arranged within a connecting line of the anode path; Waiting for a time difference dt; Detecting a second pressure value p2 by means of the sensor arranged within the connecting line of the anode path; Using the first pressure value p1 and the second pressure value p2, check whether there is a leak at a valve in the anode path.
  • a first temperature TI and a second temperature T2 of the gas in the connecting line are recorded at the same time as the first pressure value p1 and the second pressure value p2.
  • the determination of a leakage rate of the first valve, in particular a shut-off valve, or the determination of a leakage rate of the second valve, in particular an HGI valve, is advantageous because the leakage rate can be used to determine the severity of the defect in the first valve or the second Valve can be inferred. It is advantageous if the time difference dt is related to the time interval between shutting down and starting up the fuel cell system and, in particular, is shorter than the interval between shutting down and starting up the fuel cell system, since this ensures that the first and / or second valves are not opened until the verification is complete.
  • the pressure in the connecting line is reduced to ambient pressure for the detection of a leak at the first valve when the fuel cell system is shut down, since this makes it easier to detect a change in the pressure in the connecting line in relation to the pressure in the supply line .
  • the first valve at the inlet of the connecting line is closed and the second valve is opened.
  • a purge valve can also be opened.
  • a pressure in the connecting line corresponds to the ambient pressure or a pressure between the supply pressure and the ambient pressure, since this makes it easier to change the pressure in the connecting line in relation to the pressure downstream of the second valve or the ambient pressure can be detected.
  • the pressure in the connecting line of the anode path is additionally lowered after closing the first valve by an additional short opening of the second valve.
  • the method according to the invention can be used in particular in motor vehicles operated with fuel cells.
  • use in other fuel-cell-operated means of transport such as cranes, ships, rail vehicles, flying objects or also in stationary fuel-cell-operated objects, is also conceivable.
  • Fig. 1 is a schematic representation of an inventive
  • FIG. 2 shows a flow chart of the individual steps of a method according to the invention in accordance with a first exemplary embodiment
  • FIG. 3 shows a flow chart of the individual steps of a method according to the invention in accordance with a second exemplary embodiment.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a fuel cell system 1 according to the invention in accordance with a first exemplary embodiment.
  • the fuel cell system 1 comprises an anode path 4, which connects a hydrogen tank 28 to an anode 12 of a fuel cell stack 20. At least two valves 32, 34 are arranged within the anode path 4.
  • the first valve 32 is designed as a shut-off valve 32.
  • the shut-off valve 32 is open when the fuel cell system 1 is in operation. When the fuel cell system 1 is shut down, the shut-off valve 32 becomes closed, so that hydrogen can no longer flow from the hydrogen tank 28 to the anode 12.
  • the second valve 43 is designed as an HGI valve 43 and can meter the amount of hydrogen that is required by the fuel cell stack 20, depending on the respective operating state, to the anode 12.
  • a connecting line 8 is arranged between the first valve 32 and the second valve 34.
  • a sensor 10 which can determine the pressure within the connecting line 8.
  • the hydrogen is usually stored under high pressure in the hydrogen tank 28.
  • a pressure control valve 30 can be located between the hydrogen tank 28 and the first valve 32, which pressure control valve 30 reduces the pressure before the hydrogen flows to the HGI valve 34 or to the anode 12.
  • the pressure at the inlet of the first valve 32, which corresponds to the tank pressure or has been reduced by the pressure regulating valve 30, is called the supply pressure.
  • the fuel cell system 1 also has a cathode gas supply line 15, which supplies a cathode 16 of the fuel cell stack 20 with air, and a cathode gas discharge line 17, which diverts the used air and exhaust gases away from the fuel cell stack 20.
  • hydrogen is delivered to the anode path 4 via the hydrogen tank 28, the first valve 32 and via the second valve 34 to the anode 12. Since the hydrogen is supplied to the anode 12 in excess of stoichiometry for reasons of performance and component protection, the unused hydrogen is returned via an anode gas return line 14 and fed back into the anode path 4 at a hydrogen return point 22.
  • a recirculation pump 42 and further valves and components can be arranged within the anode gas return line 14. Because nitrogen diffuses from the cathode 16 to the anode 12 during the fuel cell reaction and collects within the anode path 4 with an increasing proportion via the anode gas return line 14, the nitrogen that has accumulated within the anode path 4 must be removed from the fuel cell system 1 from time to time.
  • this can take place via a purge valve 41 which is arranged in the anode gas return line 14.
  • a purge valve 41 which is arranged in the anode gas return line 14.
  • a water separator, a water reservoir and a drain valve can also be arranged within the anode gas return line 14, which are not explicitly shown in the drawing because they are not essential to the invention.
  • the fuel cell system 1 has a measuring arrangement for checking at least one valve 32, 34.
  • the measuring arrangement comprises a sensor 10 for acquiring measured values for determining a current pressure at a position within the connecting line 8 of the anode path 4.
  • the sensor 10 can also detect the current temperature of the gas at this position.
  • a control unit 11 is wired or wirelessly connected to the sensor 10 in order to record measured values, in particular pressure values and / or temperature values, and to evaluate them according to the method according to the invention in order to check whether there is a leak in the first valve (shut-off valve) 32 or the second valve (HGI valve) 34 is present.
  • the control unit 11 is also connected to further components of the fuel cell system 1.
  • the control unit 11 can also have a connection to the first valve 32 and / or second valve 34 in order to detect the time of opening and closing of the first valve 32 and second valve 34 and to allow this to flow into the calculation of a leakage rate.
  • a method step 100 the fuel cell system 1 is shut down.
  • the shutdown can also include a stand-by mode, but there should be an operating mode in which the anode 12 of the fuel cell stack 20 is no longer supplied with fuel.
  • a method step 110 the first valve 32 and the second valve 34 are closed.
  • a first pressure value p1 is measured and stored by means of the sensor 10 arranged within the connecting line 8 of the anode path 4.
  • a time difference dt is awaited.
  • This time difference dt can correlate with the time span which elapses between the shutdown of the system and the restart of the fuel cell system 1. In particular, it can be selected so that it is only insignificantly shorter than the time difference which elapses between the closing of the first and second valves 32, 34 and the opening of the first of the second valves 32, 34.
  • time difference dt is selected such that it ends before the first valve 32 and / or the second valve 34 are opened when the fuel cell system 1 is started.
  • a second pressure value p2 is measured by means of the sensor 10 arranged within the connecting line 8 of the anode path 4.
  • first and the second pressure value p1 and p2 are identical or if they differ only minimally within the scope of normal measurement inaccuracies, then lies there is no leakage at the first valve 32 or at the second valve 34 and corresponding information is provided in method step 155.
  • the pressure in the connecting line 8 is reduced to ambient pressure or a pressure which is between the supply pressure and the ambient pressure.
  • the second valve 34 and / or the purge valve 41 is opened until the pressure within the connecting line has reached the desired pressure.
  • FIG. 3 it is checked which of the two valves 32, 34 has a leak.
  • the method does not differ from the method already described in FIG. 2 apart from the following differences.
  • a method step 160 checks whether the pressure in the connecting line 8 has risen or fallen, with a defect in the first valve 32, which is arranged at the inlet of the connecting line 8, if the pressure rises (p2> p1) , is present, and with a drop in pressure (p2 ⁇ p1) there is a defect in the second valve 34, which is arranged at the outlet of the connecting line 8.
  • the pressure rises (p2> p1) information is provided in a subsequent method step 170 that there is a defect in the first valve. If the first valve 32 is defective, the leakage rate of the first valve 32, in particular of the shut-off valve 32, can optionally be determined. Here, the pressure increase p2-pl is divided by the time difference dt specified in method step 130. If the pressure drops (p2 ⁇ p1), information is provided in a subsequent method step 180 that there is a defect in the second valve. If the second valve 34 is defective, the leakage rate of the second valve 34, in particular of the HGI valve 34, can optionally be determined. Here, the pressure drop p1-p2 is divided by the time difference dt specified in method step 130.
  • a first temperature value TI is also measured and stored by means of the sensor 10 arranged within the connecting line 8 of the anode path 4.
  • a second temperature value T2 is also measured by means of the sensor 10 arranged within the connecting line 8 of the anode path 4.
  • step 160 it is checked whether the pressure in the connecting line 8 has increased or decreased, with an increase in pressure (rl) / dt exceeding a predetermined value c and with a decrease in pressure (rl) / dt a predetermined value Falls below value c.
  • r (p2 / T2) / (pl / Tl), whereby the influence of the temperature was taken into account in the ideal gas equation, so that a temperature-normalized case distinction can be made.
  • first valve 32 and the second valve 34 can be checked over a number of driving cycles, so that a diagnosis of the individual valves is divided between two or more successive driving cycles.

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Abstract

Verfahren zur Überprüfung mindestens eines Ventils (32,34) innerhalb eines Anodenpfades (4) eines Brennstoffzellensystems (1), umfassend die Schritte eines Herunterfahrens des Brennstoffzellensystems (1), Erfassens eines ersten Druckwertes p1 mittels eines innerhalb einer Verbindungsleitung (8) des Anodenpfades (4) angeordneten Sensors (10), eines Abwartens einer vorgegebenen Zeitdifferenz, eines Erfassens eines zweiten Druckwertes p2 mittels des innerhalb der Verbindungsleitung (8) des Anodenpfades (4) angeordneten Sensors (10), Überprüfen anhand des ersten Druckwertes p1 und des zweiten Druckwertes p2, ob eine Leckage an einem Ventil (32, 34) des Anodenpfades (8) vorliegt.

Description

Beschreibung
Titel
Verfahren zur Überprüfung mindestens eines Ventils innerhalb des
Anodenpfades eines Brennstoffzellensystems
Die vorliegende Erfindung geht aus von einem Verfahren sowie einer Brennstoffzellensystem mit einer Messanordnung zur Überprüfung mindestens eines Sensors innerhalb des Anodenpfades eines Brennstoffzellensystems.
Stand der Technik
Wasserstoffbasierte Brennstoffzellensysteme gelten als Mobilitätskonzept der Zukunft, da sie nur Wasser als Abgas emittieren und schnelle Betankungszeiten ermöglichen. Brennstoffzellensysteme brauchen hierbei Luft und Wasserstoff für die chemische Reaktion innerhalb der Zellen. Zur Bereitstellung der geforderten Energiemenge sind die innerhalb eines Brennstoffzellensystems angeordneten Brennstoffzellen zu sog. Brennstoffzellen-Stacks miteinander verschaltet. Die Abwärme der Zellen wird hierbei mittels eines Kühlkreises abgeführt und an die Umgebung abgegeben. Der zum Betrieb von Brennstoffzellensystemen notwendige Wasserstoff wird den Systemen in der Regel aus Hochdrucktanks zur Verfügung gestellt. Die Dosierung erfolgt aus Effizienz- und Komponentenschutzgründen hierbei überstöchiometrisch. Um den Überschuss an Wasserstoff nicht zu verschwenden, wird der nicht verbrauchte Teil an Wasserstoff innerhalb des Anodenpfades rezirkuliert. Das Anodengas wird hierbei gängigerweise aus der Anodengasrückführleitung über einen Wasserabscheider, eine Rezirkulationspumpe oder eine Strahlpumpe oder dergleichen zurück gefördert und zusammen mit Frischwasserstoff erneut der Anode zugeführt. Da im Betrieb einer Brennstoffzelle fortlaufend Stickstoff von der Kathodenseite auf die Anodenseite diffundiert und sich dort anreichert, muss für die ausreichende Bereitstellung an rezirkuliertem Wasserstoff in regelmäßigen Abständen Stickstoff über ein Purge-Ventil abgelassen werden, da ansonsten bei gleichbleibender Förderleistung der Rezirkulationspumpe eine fortlaufend geringere Wasserstoffmenge zurück gefördert werden würde.
Um eine genaue Wasserstoffzudosierung sicherzustellen wird eine hohe Genauigkeit der Ventile im Anodenpfad benötigt. Die Ventile dürfen aufgrund von Sicherheitsaspekten auch keinerlei Leckagen aufweisen, so dass eine regelmäßige Überprüfung der Ventile im Rahmen des Sicherheitskonzeptes des Brennstoffzellensystems sichergestellt werden muss.
Offenbarung der Erfindung
Gegenstand der Erfindung ist gemäß einem ersten Aspekt ein Verfahren mit den Merkmalen des unabhängigen Verfahrensanspruchs, gemäß einem zweiten Aspekt ein Brennstoffzellensystem mit einer Messanordnung mit den Merkmalen des unabhängigen Vorrichtungsanspruchs. Weitere Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den jeweiligen Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen.
Das erfindungsgemäße Verfahren bzw. das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem mit einer Messanordnung dient insbesondere der Überwachung mindestens eines Ventils im Anodenpfad des Brennstoffzellensystem. Die Ventile im Anodenpfad sind für die Zudosierung des Wasserstoffes zur Anode des Brennstoffzellenstacks zuständig und müssen auch vollständig Schließen, so dass bei einem heruntergefahrenen Brennstoffzellensystem kein Wasserstoff aus dem Tank in den Anodenpfad gelangt. Dies ist wichtig um eine hohe Sicherheit des Brennstofzellensystems zu gewährleisten. Bei einer Leckage an einem Ventil kann Wasserstoff entweder in die Umgebung entweichen oder über die Membran der Brennstoffzelle in den Kathodenpfad, so dass es zu einer Anreicherung von Wasserstoff und in Folge zu einem zündfähigen Gemisch kommen kann.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Überprüfung mindestens eines Ventils innerhalb des Anodenpfades eines Brennstoffzellensystems umfasst hierbei die Schritte; Herunterfahren des Brennstoffzellensystems; Schließen eines ersten Ventils und eines zweiten Ventils; Erfassen eines ersten Druckwertes pl mittels eines innerhalb einer Verbindungsleitung des Anodenpfades angeordneten Sensors; Abwarten einer Zeitdifferenz dt; Erfassen eines zweiten Druckwertes p2 mittels des innerhalb der Verbindungsleitung des Anodenpfades angeordneten Sensors; Überprüfen anhand des ersten Druckwertes pl und des zweiten Druckwertes p2, ob eine Leckage an einem Ventil des Anodenpfades vorliegt.
In den abhängigen Ansprüchen sind vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems angegeben.
Es ist von Vorteil, wenn in einem weiteren Verfahrensschritt überprüft wird, ob der Druck in der Verbindungsleitung angestiegen ist oder abgefallen ist, wobei bei einem Anstieg des Druckes ein Defekt des ersten Ventils, welches am Eingang der Verbindungsleitung angeordnet ist, vorliegt, und wobei bei einem Abfall des Druckes ein Defekt des zweiten Ventils vorliegt, welches am Ausgang der Verbindungsleitung angeordnet ist, da auf diese Weise herausgefunden werden kann, welches der beiden Ventile defekt ist.
In einer weiteren vorteilshaften Ausführungsform, werden zeitgleich zum ersten Druckwert pl und zum zweiten Druckwert p2, jeweils eine erste Temperatur TI und eine zweite Temperatur T2 des Gases in der Verbindungsleitung erfasst.
Das Kriterium für eine Ventil Leckage kann dann temperatur-normiert mit Hilfe der folgenden Gleichung ausgewertet werden. r = (p2/T2)/(pl/Tl) (1)
Falls (r-l)/dt einen vorgegebenen Wert c überschreitet, liegt eine Leckage des ersten Ventils vor. Falls (r-l)/dt einen vorgegebenen Wert c unterschreitet, liegt eine Leckage des zweiten Ventils vor.
Die Bestimmung einer Leckagerate des ersten Ventils, insbesondere eines Shut- Off-Ventils, oder die Bestimmung einer Leckagerate des zweiten Ventils, insbesondere eines HGI-Ventils, ist von Vorteil, da aus der Leckagerate auf die Stärke des Defektes des ersten Ventils oder des zweiten Ventils gefolgert werden kann. Es ist von Vorteil, wenn die Zeitdifferenz dt mit dem zeitlichen Abstand zwischen Herunterfahren und Herauffahren des Brennstoffzellensystems in Verbindung steht und insbesondere kürzer ist, als der Abstand zwischen Herunterfahren und Herauffahren des Brennstoffzellensystems, da auf diese Weise sichergestellt wird, dass das erste und/oder zweite Ventile nicht vor Abschluss der Überprüfung geöffnet werden.
Es ist von Vorteil, wenn die Leckagediagnose der einzelnen Ventile auf zwei oder mehrere aufeinanderfolgende Fahrzyklen aufgeteilt wird, da auf diese Weise auch für kleine Volumen in der Verbindungsleitung eine Diagnose des ersten und zweiten Ventils in Bezug auf eine Leckage verlässlich durchgeführt werden kann.
Es ist vorteilhaft, wenn für die Detektion einer Leckage am ersten Ventil beim Herunterfahren des Brennstoffzellensystems der Druck in der Verbindungsleitung auf Umgebungsdruck reduziert wird, da auf diese Weise leichter eine Veränderung des Druckes in der Verbindungsleitung in Bezug auf den Druck in der Versorgungsleitung detektiert werden kann. Hierbei wird für die Reduzierung des Druckes auf Umgebungsdruck in der Verbindungsleitung das erste Ventil am Eingang der Verbindungsleitung geschlossen und das zweite Ventil geöffnet. Zusätzlich kann ein Purge-Ventil geöffnet werden.
Für die Diagnose der Leckage des zweiten Ventils ist es besonders vorteilhaft, wenn in der Verbindungsleitung ein Druck der dem Umgebungsdruck oder einem Druck zwischen Versorgungsdruck und Umgebungsdruck entspricht, da auf diese Weise leichter eine Veränderung des Druckes in der Verbindungsleitung in Bezug auf den Druck stromabwärts des zweiten Ventils bzw. des Umgebungsdruckes detektiert werden kann.
In einer weiteren Ausführungsform, wird der Druck in der Verbindungsleitung des Anodenpfades nach Schließen des ersten Ventils zusätzlich abgesenkt durch eine zusätzliche kurze Öffnung des zweiten Ventils. Dadurch lassen sich drei verschiedene Druckniveaus einstellen, welche auf vorteilhafte Weise eine genaue Überprüfung des Druckes in der Verbindungsleitung ermöglichen. Die drei verschiedenen Druckniveaus stellen sich respektive vor dem ersten Ventil, in der Verbindungsleitung und nach dem zweiten Ventil ein.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann hierbei insbesondere in brennstoffzellenbetriebenen Kraftfahrzeugen eingesetzt werden. Ebenso ist jedoch auch ein Einsatz in anderen brennstoffzellenbetriebenen Fortbewegungsmitteln, wie Kränen, Schiffen, Schienenfahrzeugen, Flugobjekten oder auch in stationären brennstoffzellenbetriebenen Objekten denkbar.
Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen
Brennstoffzellensystems gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel,
Fig. 2 ein Flussablaufdiagramm der einzelnen Schritte eines erfindungsgemäßen Verfahrens gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel und
Fig. 3 ein Flussablaufdiagramm der einzelnen Schritte eines erfindungsgemäßen Verfahrens gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel.
Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems 1 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel.
Hierbei umfasst das Brennstoffzellensystem 1 einen Anodenpfad 4, welcher einen Wasserstofftank 28 mit einer Anode 12 eines Brennstoffzellenstacks 20 verbindet. Innerhalb des Anodenpfades 4 sind mindestens zwei Ventile 32,34 angeordnet.
Das erste Ventil 32, ist als Shut-Off-Ventil 32 ausgebildet. Das Shut-Off-Ventil 32 ist im Betrieb des Brennstoffzellensystems 1 geöffnet. Wenn das Brennstoffzellensystem 1 heruntergefahren wird, wird das Shut-Off-Ventil 32 geschlossen, so dass kein Wasserstoff aus dem Wasserstofftank 28 mehr zur Anode 12 strömen kann.
Das zweite Ventil 43 ist als HGI-Ventil 43 ausgebildet und kann die Menge an Wasserstoff, welche abhängig von dem jeweiligen Betriebszustand vom Brennstoffzellenstack 20 benötigt wird, zur Anode 12 zu dosieren.
Zwischen dem ersten Ventil 32 und dem zweiten Ventil 34 ist eine Verbindungsleitung 8 angeordnet. In der Verbindungsleitung 8 befindet sich ein Sensor 10, welcher den Druck innerhalb der Verbindungsleitung 8 bestimmen kann.
Im Wasserstofftank 28 ist der Wasserstoff meist unter hohen Druck bevorratet. Um den Druck zu reduzieren, kann sich zwischen dem Wasserstofftank 28 und dem ersten Ventil 32 ein Druckregelventil 30 befinden, welches den Druck reduziert, bevor der Wasserstoff zum HGI-Ventil 34 bzw. zur Anode 12 strömt. Der Druck am Eingang des ersten Ventils 32, welcher dem Tankdruck entspricht oder durch das Druckregelventil 30 reduziert wurde, wird Versorgungsdruck genannt.
Das Brennstoffzellensystem 1 weist des Weiteren eine Kathodengaszuführleitung 15, auf, welche eine Kathode 16 des Brennstoffzellenstacks 20 mit Luft versorgt, sowie eine Kathodengasabführleitung 17, welche die verbrauchte Luft und Abgase vom Brennstoffzellenstack 20 ableitet.
Im Betrieb des Brennstoffzellensystems 1 wird dem Anodenpfad 4 Wasserstoff über den Wasserstofftank 28, das erste Ventil 32 und über das zweite Ventil 34 an die Anode 12 abgegeben. Da der Wasserstoff der Anode 12 aus Performance- und Komponentenschutzgründen überstöchiometrisch zugeführt wird, wird der nicht verbrauchte Wasserstoff über eine Anodengasrückführleitung 14 zurückgeführt und an einer Wasserstoffrückführstelle 22 wieder in den Anodenpfad 4 eingeleitet.
Innerhalb der Anodengasrückführleitung 14 kann eine Rezirkulationspumpe 42, sowie weitere Ventile und Komponenten angeordnet sein. Weil während der Brennstoffzellenreaktion Stickstoff von der Kathode 16 zur Anoden 12 diffundiert und sich über die Anodengasrückführleitung 14 mit steigendem Anteil innerhalb des Anodenpfades 4 ansammelt, muss der innerhalb des Anodenpfades 4 angesammelte Stickstoff von Zeit zu Zeit aus dem Brennstoffzellensystem 1 entfernt werden.
Dies kann vorliegend über ein Purge-Ventil 41 erfolgen, welches in der Anodengasrückführleitung 14 angeordnet ist. Zur Abführung eines Wasserüberschusses aus der Anode 12 bzw. dem Anodenpfad 4 kann ferner ein Wasserabscheider, ein Wasserreservoir sowie ein Drain-Ventil innerhalb des Anodengasrückführleitung 14 angeordnet sein, welche in der Zeichnung nicht explizit dargestellt sind, da sie nicht erfindungswesentlich sind.
Das Brennstoffzellensystem 1 weist eine Messanordnung zur Überprüfung mindestens eines Ventils 32,34 auf. Die Messanordnung umfasst einen Sensor 10 zum Erfassen von Messwerten zur Bestimmung eines aktuellen Druckes an einer Position innerhalb der Verbindungsleitung 8 des Anodenpfades 4.
In einer alternativen Ausführungsform kann der Sensor 10 zusätzlich auch die aktuelle Temperatur des Gases an dieser Position erfassen.
Eine Steuereinheit 11 ist kabelgebunden oder kabellos mit dem Sensor 10 verbunden, um Messwerte, insbesondere Druckwerte und/oder Temperaturwerte, zu erfassen und gemäß des erfindungsgemäßen Verfahren auszuwerten, um zu überprüfen, ob eine Leckage des ersten Ventils (Shut-Off- Ventil) 32 oder des zweiten Ventils (HGI-Ventils) 34 vorliegt.
Die Steuereinheit 11 ist auch mit weiteren Komponenten des Brennstoffzellensystems 1 verbunden. Die Steuereinheit 11 kann auch eine Verbindung zum ersten Ventil 32 und/oder zweiten Ventil 34 aufweisen, um den Zeitpunkt des Öffnens und Schließens des ersten Ventils 32 und zweiten Ventils 34 zu erfassen und in die Berechnung einer Leckage-Rate einfließen zu lassen.
Fig. 2 zeigt ein Flussablaufdiagramm der einzelnen Schritte eines erfindungsgemäßen Verfahrens. In einem Verfahrensschritt 100 wir das Brennstoffzellensystems 1 heruntergefahren. Das Herunterfahren kann auch einen Stand-By-Modus umfassen, jedoch sollte ein Betriebsmodus vorliegen, bei dem der Anode 12 des Brennstoffzellenstacks 20 kein Kraftstoff mehr zugeführt wird.
In einem Verfahrensschritt 110 werden das erste Ventil 32 und das zweite Ventil 34 geschlossen.
In einem Verfahrensschritt 120 wird ein erster Druckwertes pl mittels des innerhalb der Verbindungsleitung 8 des Anodenpfades 4 angeordneten Sensors 10 gemessen und gespeichert.
In einem Verfahrensschritt 130 wird eine Zeitdifferenz dt abgewartet. Diese Zeitdifferenz dt kann mit der Zeitspanne, welche zwischen dem Herunterfahren des Systems und der Wiederinbetriebnahme des Brennstoffzellensystems 1 vergeht, korrelieren. Sie kann insbesondere so gewählt sein, dass sie nur unwesentlich kürzer ist als die Zeitdifferenz, welche zwischen dem Schließen des ersten und zweiten Ventiles 32, 34 und dem Öffnen des ersten des zweiten Ventils 32, 34 vergeht.
Es sollte sichergestellt werden, dass die Zeitdifferenz dt so gewählt wird, dass sie beendet ist bevor das erste Ventil 32 und/oder das zweite Ventil 34 bei einem Start des Brennstoffzellensystems 1 geöffnet werden.
In einem Verfahrensschritt 140 wird ein zweiter Druckwertes p2 mittels des innerhalb der Verbindungsleitung 8 des Anodenpfades 4 angeordneten Sensors 10 gemessen.
In einem Verfahrensschritt 150 wird die Differenz dp= p2-pl zwischen dem ersten und dem zweiten Druckwert bestimmt und überprüft, ob der Betrag der Druckdifferenz dp einen vorgegebenen Wert überschreitet.
Sind der erste und der zweite Druckwert pl und p2 identisch oder unterscheiden sie sich nur minimal im Rahmen von normalen Messungenauigkeiten, so liegt keine Leckage am ersten Ventile 32 oder am zweiten Ventil 34 vor und es erfolgt im Verfahrensschritt 155 eine entsprechende Information.
Unterscheiden sich die Messwerte des ersten und des zweiten Druckwertes um einen Betrag der Messungenauigkeiten überschreitet, so liegt eine Leckage am ersten Ventil 32 oder zweite Ventil 34 vor und es erfolgt im Verfahrensschritt 157 eine Meldung, dass eine Leckage an einem Ventil 32, 34 des Anodenpfades 4 vorliegt.
In einer Ausführungsform, wird der Druck in der Verbindungsleitung 8 auf Umgebungsdruck oder einen Druck, der sich zwischen dem Versorgungsdruck und dem Umgebungsdruck befindet, reduziert. Hierzu wird das zweite Ventil 34 und/oder das Purge-Ventil 41 solange geöffnet, bis der Druck innerhalb der Verbindungsleitung den gewünschten Druck erreicht hat.
In einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung, welches in Figur 3 dargestellt ist, wird überprüft, welches der beiden Ventile 32, 34 eine Leckage aufweist. Das Verfahren unterscheidet sich nicht von dem bereits beschriebenen Verfahren der Figur 2 bis auf die nachfolgenden Unterschiede.
Anstelle des Verfahrensschrittes 157 wird in einem Verfahrensschritt 160 überprüft, ob der Druck in der Verbindungsleitung 8 angestiegen ist oder abgefallen ist, wobei bei einem Anstieg des Druckes (p2>pl) ein Defekt des ersten Ventils 32, welches am Eingang der Verbindungsleitung 8 angeordnet ist, vorliegt, und wobei bei einem Abfall des Druckes (p2<pl) ein Defekt des zweiten Ventils 34 vorliegt, welches am Ausgang der Verbindungsleitung 8 angeordnet ist.
Bei einem Anstieg des Druckes (p2>pl) erfolgt in einem nachgeordneten Verfahrensschritt 170 eine Information, dass ein Defekt des ersten Ventils vorliegt. Optional kann bei einem defekten ersten Ventil 32 die Leckagerate des ersten Ventils 32, insbesondere des Shut-Off-Ventils 32, bestimmt werden. Hierbei wird der Druckanstieg p2-pl durch die im Verfahrensschritt 130 vorgegebene Zeitdifferenz dt geteilt. Bei einem Abfall des Druckes (p2<pl) erfolgt in einem nachgeordneten Verfahrensschritt 180 eine Information, dass ein Defekt des zweiten Ventils vorliegt. Optional kann bei einem defekten zweiten Ventil 34 die Leckagerate des zweiten Ventils 34, insbesondere des HGI-Ventils 34, bestimmt werden. Hierbei wird der Druckabfall pl-p2 durch die im Verfahrensschritt 130 vorgegebene Zeitdifferenz dt geteilt.
In einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung erfolgen folgende Veränderungen zu den oben beschriebenen Abläufen.
Im Verfahrensschritt 120 wird außer dem ersten Druckwertes pl auch ein erster Tempertaturwert TI mittels des innerhalb der Verbindungsleitung 8 des Anodenpfades 4 angeordneten Sensors 10 gemessen und gespeichert.
Im Verfahrensschritt 140 wird außer dem zweiten Druckwertes p2 auch ein zweiter Temperaturwert T2 mittels des innerhalb der Verbindungsleitung 8 des Anodenpfades 4 angeordneten Sensors 10 gemessen.
Im Verfahrensschritt 160 wird überprüft, ob der Druck in der Verbindungsleitung 8 angestiegen ist oder abgefallen ist, wobei bei einem Anstieg des Druckes (r-l)/dt einen vorgegebenen Wert c überschreitet und bei einem Abfall des Druckes (r- l)/dt einen vorgegebenen Wert c unterschreitet.
Hierbei wird r mit Hilfe der Formel r = (p2/T2)/(pl/Tl) berechnet, wobei der Einfluss der Temperatur in der idealen Gasgleichung berücksichtigt wurde, so dass eine temperatur-normierte Fallunterscheidung vorgenommen werden kann.
In einerweiteren Ausführungsform kann das erste Ventil 32 und das zweite Ventil 34 über mehrere Fahrzyklen überprüft werden, so dass eine Diagnose der einzelnen Ventile auf zwei oder mehrere aufeinanderfolgende Fahrzyklen aufgeteilt wird.

Claims

Ansprüche
1. Verfahren zur Überprüfung mindestens eines Ventils (32, 34) innerhalb eines Anodenpfades (4) eines Brennstoffzellensystems (1), umfassend die
Schritte:
1.) Herunterfahren des Brennstoffzellensystems (1);
2.) Schließen eines ersten Ventils (32) und eines zweiten Ventils (34);
3.) Erfassen eines ersten Druckwertes pl mittels eines innerhalb einer
Verbindungsleitung (8) des Anodenpfades (4) angeordneten Sensors
(10);
4.) Abwarten einer Zeitdifferenz dt,
5.) Erfassen eines zweiten Druckwertes p2 mittels des innerhalb der
Verbindungsleitung (8) des Anodenpfades (4) angeordneten Sensors
(10);
6.) Überprüfen anhand des ersten Druckwertes pl und des zweiten
Druckwertes p2, ob eine Leckage an einem Ventil (32, 34) des Anodenpfades (8) vorliegt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Verfahrensschritt 5.) überprüft wird, ob der Druck in der Verbindungsleitung (8) angestiegen ist oder abgefallen ist, wobei bei einem Anstieg des Druckes (p2>pl) eine Leckage des ersten Ventils (32), welches am Eingang der Verbindungsleitung (8) angeordnet ist, vorliegt, und wobei bei einem Abfall des Druckes (p2<pl) eine Leckage des zweiten Ventils (34) vorliegt, welches am Ausgang der Verbindungsleitung (8) angeordnet ist.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass gleichzeitig zum ersten Druckwert pl ein erster Temperaturwert TI in der Verbindungsleitung (8) gemessen wird und gleichzeitig zum zweiten Druckwert p2 ein zweiter Temperaturwert T2 in der Verbindungsleitung (8) gemessen wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass im
Verfahrensschritt 5.) überprüft wird, ob (r-l)/dt einen vorgegebenen Wert c überschreitet oder unterschreitet, falls (r-l)/dt>c ist, liegt eine Leckage des ersten Ventils (32) vor, falls (r-l)/dt<c ist, liegt eine Leckage des zweiten Ventils (34) vor, wobei r = (p2/T2)/(pl/Tl).
5. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Leckagerate des ersten Ventils (32), insbesondere eines Shut- Off-Ventils (32) und/oder eine Leckagerate des zweiten Ventils (34), insbesondere eines HGI-Ventils (34), bestimmt wird.
6. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zeitdifferenz dt mit dem zeitlichen Abstand zwischen Herunterfahren und Herauffahren des Brennstoffzellensystems (1) in Verbindung steht.
7. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Schritt 1) beim Herunterfahren des Brennstoffzellensystems (1), der Druck in der Verbindungsleitung (8) auf Umgebungsdruck oder auf einen Druck zwischen einem Versorgungsdruck und Umgebungsdruck reduziert wird.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass für die Reduzierung des Druckes in der Verbindungsleitung (8) das erste Ventil (32) am Eingang der Verbindungsleitung (8) geschlossen wird und das zweite Ventil (34) geöffnet wird.
9. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zeitdifferenz dt so gewählt wird, dass sie beendet ist bevor das erste Ventil (32) und/oder das zweite Ventil (34) geöffnet werden.
10. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass über mehrere Fahrzyklen der erste Druckwert pl und der zweite Druckwert p2 überprüft wird, so dass eine Diagnose der einzelnen Ventile auf zwei oder mehrere aufeinanderfolgende Fahrzyklen aufgeteilt wird.
11. Brennstoffzellensystem (1) mit einer Messanordnung zur Überprüfung mindestens eines Ventils (32,34), insbesondere zur Ausführung eines Verfahrens gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei das Brennstoffzellensystem (1) einen Anodenpfad (4), eine Anode (12) und eine Anodengasrückführleitung (14) aufweist und eine Verbindungsleitung (8), welche zwischen einem ersten Ventil (32) und einem zweiten Ventil (34) innerhalb des Anodenpfades (4) angeordnet ist, umfassend: einen Sensor (10) zum Erfassen von Messwerten zur Bestimmung eines aktuellen Druckes an einer Position innerhalb der Verbindungsleitung (8) des Anodenpfades (4), eine Steuereinheit (11) zur Überprüfung mindestens eines Ventils innerhalb des Anodenpfades (4) des Brennstoffzellensystems (1) auf Basis der mittels des Sensors (10) erfassten Messwerte.
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