WO2022028866A1 - Brennstoffzellensystem und ein verfahren zur diagnose einer brennstoff-leckage und/oder zum überprüfen eines brennstoff-massenstroms in einem brennstoffzellensystem - Google Patents

Brennstoffzellensystem und ein verfahren zur diagnose einer brennstoff-leckage und/oder zum überprüfen eines brennstoff-massenstroms in einem brennstoffzellensystem Download PDF

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fuel
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tank
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Jochen Braun
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Robert Bosch Gmbh
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    • Y02T90/00—Enabling technologies or technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02T90/40—Application of hydrogen technology to transportation, e.g. using fuel cells

Definitions

  • the invention relates to a fuel cell system, for example for a vehicle, according to the independent device claim. Furthermore, the invention relates to a method for diagnosing a fuel leak in a fuel cell system according to the independent method claim and a vehicle with a corresponding fuel cell system according to the independent device claim.
  • Fuel cell systems are known in principle, also as energy suppliers in vehicles.
  • the oxidizing agent oxygen from the ambient air is generally used, and hydrogen is used as the reducing agent or fuel in order to react to form water (or water vapor) in the fuel cell stack of the system and thus to supply electrical power through electrochemical conversion.
  • the ambient air is usually provided to the fuel cell stack by means of a cathode path with an air compression system.
  • the hydrogen is usually stored in a high-pressure tank (e.g. 700 bar) and fed to the fuel cell stack via lines and valves and recirculated in a loop-like anode path.
  • the anode loop must be purged and drained periodically during operation in order to reduce the increasing nitrogen content (through diffusion across the membrane) and the accumulation of water in the anode.
  • a part of the purge gas is also hydrogen, which is why the purge gas in the Air system exhaust duct and is diluted there by the air mass flow to such an extent that no explosive mixture can form.
  • the fuel cell stack usually includes several fuel cells that are mutually sealed with many seals. However, these seals are subject to temperature changes, pressure changes, etc. and age accordingly.
  • the fuel cell stacks are usually not tight in the absolute sense.
  • the high-pressure tanks for storing the hydrogen or their fittings, actuators, sensors and/or pipelines can leak.
  • Hydrogen sensors are usually installed to detect hydrogen leakage. These sensors have a significant cost associated with them. When used in the vehicle, several hydrogen sensors are usually required at different locations. In addition, if hydrogen leaks cannot be ruled out in confined spaces, ventilation systems are usually used to guarantee a sufficiently high level of air exchange and to avoid hydrogen accumulations that could lead to explosive mixtures.
  • the invention provides a fuel cell system with the features of the independent device claim. Furthermore, according to a second aspect, the invention provides a method for diagnosing a fuel leak and/or for monitoring a fuel mass flow in a fuel cell system with the features of the independent method claim and, according to a third aspect, a vehicle with a corresponding fuel cell system according to the independent device claim the features of the independent device claim. Further advantages, features and details of the invention result from the dependent claims, the description and the Drawings. Features and details that are described in connection with the fuel cell system according to the invention naturally also apply in connection with the method according to the invention and/or the vehicle according to the invention and vice versa, so that the disclosure of the individual aspects of the invention is or will always be referred to alternately can.
  • the present invention provides a fuel cell system, for example for a vehicle, having at least one fuel cell (preferably a fuel cell stack) which is designed with a stack ventilation system. Furthermore, the fuel cell system has a cathode path for providing an oxygen-containing reactant to the at least one fuel cell, the cathode path having a supply air line for providing supply air to the at least one fuel cell and an exhaust air line for removing exhaust air from the at least one fuel cell. Furthermore, the fuel cell system has an anode path for providing a fuel-containing reactant to the at least one fuel cell, the anode path having a purge and/or drain system for flushing the anode path and/or for removing product water from the anode path.
  • the fuel cell system has a preferably modular tank system with at least one tank (preferably several tanks or bottles per module) for the fuel-containing reactant, which is designed with a tank ventilation system.
  • the purge and/or drain system in turn has a purge and/or drain line (which can also be referred to as a purge and/or drain release line).
  • the stack venting system includes a stack vent line (which in turn may include one stack vent line per stack in a multi-stack modular fuel cell system).
  • the tank ventilation system includes a tank vent line (which in turn may include multiple tank vent lines per module in a multi-module modular tank system).
  • a fuel sensor for example in the form of a hydrogen sensor, is provided downstream in the exhaust air line of the cathode path, in particular exclusively one in the entire fuel cell system and in the entire vehicle.
  • the The invention also provides that the purge and/or drain line, the stack ventilation line and/or the tank ventilation line (preferably all ventilation lines and the purge and/or drain line) open into the exhaust air line of the cathode path in front of the fuel sensor, in particular fluidically are connected.
  • Downstream in the exhaust air line can be approximately at the end of the exhaust air line, with a silencer or other installations, such as a water tank, being able to be arranged after the fuel sensor.
  • the fuel cell system according to the invention can be designed in the form of a fuel cell stack, a so-called fuel cell stack, with a plurality of stacked repeating units in the form of individual fuel cells, preferably PEM fuel cells.
  • the fuel cell system according to the invention can be of modular design and have a plurality of fuel cell stacks or fuel cell stacks.
  • the purge and drain system according to the invention can be combined (a valve and a line) or implemented separately (a purge valve with a purge line and a drain valve with a drain line).
  • the fuel cell system according to the invention can advantageously be used for mobile applications, such as in motor vehicles, or for stationary applications, such as in generator systems.
  • the invention thus provides an optimized fuel cell system and an improved vehicle, including a diagnostic method, which will be discussed in detail below, with a minimum number of fuel sensors, preferably with only one fuel sensor, in the entire fuel cell system as well as in the entire vehicle.
  • the essence of the invention lies in the fact that only one fuel sensor can be used for the complete fuel cell system and accordingly for the entire vehicle. All ventilation lines and the purge line and/or drain line can be in the exhaust air line of the cathode path (including the mixed or separate purge and/or drain line(s)) which may be intentional and/or unintentional sources of fuel, particularly hydrogen.
  • this includes at least the purge and/or drain line (intended source of fuel mass flow), the stack vent line (unintended source of fuel leaks, with the stack vent line in turn also having several stack vent lines in a modular fuel cell system may comprise several stacks), regardless of whether the at least one fuel cell or the at least one fuel cell stack is/are open or is/are at least partially arranged in a housing, the tank ventilation line, regardless of whether the tank system is open or at least is partly arranged in a housing or is constructed modularly with several housings and with one or more fuel bottles, with further sources for possible fuel leaks and fuel mass flows analogous to the ventilation lines mentioned to the exhaust air line of the cathode path, preferably before the fuel sensor fluidisc h can be connected.
  • the idea of the invention is to carry out the detection for all possible (unintended) fuel leaks and/or all possible (intended) fuel mass flows at one point.
  • the accumulations of fuel can at least be diluted by the exhaust air from the cathode path.
  • a diagnostic method and/or a monitoring method with pin pointing ie detection of the source from which the hydrogen leakage or the hydrogen mass flow originates, can also be carried out.
  • the connection of the ventilation system for the tank system and the ventilation system for the stack(s) to the exhaust line helps to reliably remove the fuel that has accumulated in the respective systems.
  • a secondary air mass flow e.g to create redundancy.
  • decoupling from the cathode path and/or redundancy can be created.
  • using the invention also require secondary air systems in the vehicle, such. B. a vehicle interior, a tank system, a trunk system, etc. no separate fuel sensors.
  • the invention can provide that the stack ventilation system and/or the tank ventilation system have at least one ventilation line (meaning a ventilation supply line).
  • the at least one ventilation line can lead from a fresh air source, e.g. supply air from the cathode path, a fresh air fan of a vehicle interior and/or a separate ventilation fan, to the respective system, e.g. into the respective housing.
  • the invention can provide in a fuel cell system that the at least one ventilation line is connected to the air supply line of the cathode path in order to draw the air supply from the air supply line of the cathode path to ventilate the at least one fuel cell or the stack(s) as part of the stack ventilation system. to dilute a purge gas from the anode path and/or to ventilate the tank system.
  • the at least one ventilation line can be connected to the air supply line of the cathode path upstream of a humidifier.
  • a dry supply air can thus be provided from the supply air line for diluting the purge gas from the anode path of the fuel cell system and/or for venting the stack and/or tank system.
  • the at least one ventilation line can be connected to the air supply line of the cathode path after a humidifier.
  • a humidified supply air can thus be provided from the supply air line to dilute the purge gas of the anode of the fuel cell system and/or to ventilate the stack and/or tank system.
  • the at least one ventilation line is connected to the air supply line of the cathode path upstream of an air supply cooler.
  • a heated supply air can thus be provided from the supply air line to dilute the purge gas from the anode path of the fuel cell system and/or to ventilate the stack and/or tank system.
  • the invention can provide in a fuel cell system that the at least one ventilation line is connected to a fresh air fan of a vehicle interior in order to supply fresh air and/or cabin air for ventilation of the at least one fuel cell or the stack(s) as part of the stack ventilation system , to dilute a purge gas from the anode path and/or to ventilate the tank system.
  • an additional ventilation source can be provided. This can be advantageous if the compressor in the cathode path is switched off or to continue operating the compressor at part load (if the requested stack air mass flow would not be sufficient for dilution).
  • the invention can provide in a fuel cell system that the at least one ventilation line is connected to a separate ventilation fan in order to emit fresh air for ventilation of the at least one fuel cell or the stack(s) as part of the stack ventilation system, to dilute a purge gas the anode path and/or to ventilate the tank system. This too can provide an additional source of ventilation to supplement or replace the compressor.
  • the invention provides a method for diagnosing a fuel leak and/or for checking a fuel mass flow using a fuel cell system for a vehicle, which can be implemented as described above.
  • a method for diagnosing a fuel leak and/or for checking a fuel mass flow using a fuel cell system for a vehicle which can be implemented as described above.
  • the invention can provide at least one following step in a method for diagnosing a fuel leak and/or for checking a fuel mass flow:
  • step D4) monitoring of measured values of the fuel sensor during ongoing operation of the fuel cell system.
  • the diagnosis in step D4) can advantageously be carried out during normal operation of the fuel cell system without much effort and with little computing power.
  • the measured value or the measured values or the measurement signal of the fuel sensor can be compared to a threshold or a number of thresholds.
  • the measured value or the measured values or the measured signal of the fuel sensor can advantageously be evaluated over time in order to detect increases in the fuel content and the leaks at an early stage. If the measured value or the measured values or the measured signal of the fuel sensor is sufficiently low, no or, depending on the threshold value, initially no more precise diagnosis is necessary. However, if the values are above an applicable limit, further diagnoses D1), D2), D3) can be carried out.
  • the invention can also provide that in step D4) the stack ventilation system and the tank ventilation system are active, with the purge and/or drain system being inactive (i.e. currently not activated or closed)).
  • the purge and/or drain system being inactive (i.e. currently not activated or closed)). The normal operation of the fuel cell system can thus be mapped.
  • the invention can provide that in step D4) at least one or more threshold values for a fuel concentration are monitored.
  • applicable limits can be determined in order to initiate a respective action.
  • a low limit that is not exceeded can be a sign of "everything is fine".
  • a checking action can be initiated, such as B. reading the fuel cell sensor more frequently in step D4), observing the increase in fuel content and/or initiating further diagnoses D1), D2), D3).
  • a higher limit can, for example, initiate a warning action, e.g. B. Requesting the vehicle to stop, requesting the vehicle occupants to leave the vehicle, warning other road users, etc.
  • Step D4) can advantageously be carried out periodically.
  • the fuel cell system and/or vehicle can be checked prophylactically for fuel leaks.
  • It can also be advantageous to inform the user about the results of the method according to the invention, for example via a display unit, e.g. B. in a dashboard of the vehicle, in a head-up display, etc.
  • the invention can provide that the method has at least one of the following steps:
  • Specific waiting times and/or averaging, recommendations to the user, etc. can be set up between steps D1), D2) and D3).
  • the respective individual values for possible sources of fuel leaks or hydrogen mass flow can be determined.
  • the diagnoses can also be used prophylactically at periodic intervals be performed.
  • the invention can provide that the method has at least one of the following steps:
  • the invention can be used in an advantageous manner to Calibrate fuel sensor.
  • the invention can be used in an advantageous manner to carry out an open/close diagnosis of a purge valve.
  • the invention can provide that the method has at least one of the following steps:
  • steps D1), D2), D3), D4), D5) and/or D6) are recorded in a memory of the fuel cell system or in an online memory. In this way, characteristic reference values can be created for the respective system.
  • steps D1), D2), D3), D4), D5) and/or D6) over a lifetime of the fuel cell system or over a load profile, in particular after a tank change, tank filling, after a pressure change , after a change in temperature, after a certain number of starts/stops, after certain services have been performed (certain fixed threshold values are possible here), whenever the vehicle is parked for a long time, e.g. overnight or in an airport parking lot, etc., in a control unit of the fuel cell system or in an online server.
  • the at least one or more fuel cell systems are monitored according to a method described above to the aging of at least one or more Evaluate fuel cell systems or to monitor a vehicle or a vehicle fleet.
  • the steps of the method according to the invention can be carried out in the given order or in a modified order.
  • the steps of the method according to the invention can be carried out simultaneously and/or repeatedly in order to enable a fluent process.
  • the invention provides a vehicle with a fuel cell system, which can be embodied as described above.
  • vehicle with a fuel cell system
  • the same advantages can be achieved that were described above in connection with the fuel cell system according to the invention and/or with the method according to the invention. Reference is made in full to these advantages here.
  • Fig. 1 is a schematic representation of a fuel cell system according to the invention.
  • FIG. 2 shows a schematic representation of a diagnostic method within the meaning of the invention.
  • FIG. 1 shows a fuel cell system 100 according to the invention, which can be used, for example, as a drive energy source in a vehicle 1, preferably in an electric vehicle and/or a highly automated or even autonomous vehicle.
  • the fuel cell system 100 has at least one fuel cell 101 or even a stack of several fuel cells 101 which are combined to form a fuel cell stack which is designed with a stack ventilation system Q2.
  • the fuel cell 101 or the fuel cell stack or stack can have fuel leakage to the outside, since the many fuel cells 101 are designed with many seals that are subject to various aging mechanisms caused by media, mechanical stresses, temperature changes, pressure changes, etc.
  • the fuel cell 101 or the fuel cell stack or stack can be accommodated at least in part in a housing 102 (at least in the upper area), so that ventilation can take place in a targeted manner. Escaping fuel, in particular hydrogen, can collect in an upper area from which the stack ventilation line L2 of the stack ventilation system Q2 can lead.
  • the stack ventilation line L2 of the stack ventilation system Q2 is introduced into an exhaust air line 12 of a cathode path 10 in front of the fuel sensor S, in particular in the form of a hydrogen sensor.
  • the exhaust air from the exhaust air line 12 of the cathode path 10 can dilute any accumulated fuel.
  • the first supplier Al can be the supply air from the supply air line 11 of the cathode path 10 or from another supplier A2, A3, such as. B. fresh air fan IN a vehicle interior and / or a separate ventilation fan BG can be used.
  • the supply air can be introduced, for example, via a connecting line, which can optionally but advantageously contain a throttle VSQ2, VSQ3 and/or a controllable valve VQ2, VQ3, to the housing 102 of the fuel cell 101 or the fuel cell stack, preferably in the lower area .
  • the fuel cell system 100 has a cathode path 10 for providing an oxygen-containing reactant to the at least one fuel cell 101 or to the fuel cell stack, with the cathode path 10 having an air supply line 11 for providing air supply to the at least one fuel cell 101 and an exhaust air line 12 for discharging an exhaust air from the at least one fuel cell 101.
  • the system topology according to the invention provides only one fuel sensor S in the fuel cell system 101 and in the entire vehicle 1 .
  • Various sources of fuel leaks or fuel mass flows are guided into the exhaust air line 12 of the cathode path 10 by appropriate ventilation systems Q1, Q2, Q3.
  • the cathode path 10 is shown in FIG. 1 as an example.
  • the supply air can z. B. from the environment U and filtered according to the requirements of the fuel cell 101 using an air filter AF.
  • Different system topologies with/without an intake air cooler IC, with/without a turbine in the exhaust air line 12, with/without a bypass line with a bypass valve BV, with/without a humidifier H, with/without shut-off valves SV1, SV2, with a single or multi-stage Compression, with a single-flow or multi-flow compressor V, with one or two-shaft systems, with/without water injection, etc. possible.
  • the fuel cell system 100 has an anode path 20 for providing a fuel-containing reactant to the at least one fuel cell 101 or to the fuel cell stack, the anode path 20 having a purge and/or drain system Q1 for flushing the anode path 20 and/or for discharging one Product water from the anode path 20 has.
  • the purge and/or drain line LI is advantageously introduced into the exhaust air line 12 of the cathode path 10 before the fuel sensor S and is diluted there.
  • the purge process can advantageously take place not only when the cathode path 10 provides sufficient air mass flow/air volume flow, but also when this is not the case. You can do this with the help of of the fuel cell system 100 according to the invention in addition to the supply air from the supply air line 11 other suppliers A2, A3, such. B. fresh air blowers of a vehicle interior and/or a separate ventilation blower BG can be used.
  • the fuel cell system 100 has a preferably modular tank system 30 with at least one tank T (preferably several tanks T or bottles per module) for the fuel-containing reactant, which is designed with a tank ventilation system Q3.
  • the tank system 30 can be arranged, for example, in the rear area of the vehicle 1 (e.g. in a trunk), but also in an underbody of the vehicle (e.g. below the fuel cell stack or below the passenger compartment). Due to the modular design of the tank system 20, the distance between the tank system 30 and the stack and/or the cathode path 10 is reduced and connections between these systems can be implemented more easily.
  • the individual tanks T can be enclosed in a module, e.g. by several modules in the tank system 30, by means of (each) a tank housing 31, which can form part of the tank ventilation system Q3.
  • the tank housing 31 can in turn have a tank ventilation line L3.
  • the first supplier Al can be the supply air from the supply air line 11 of the cathode path 10 and/or the fresh air from another supplier A2, A3, such as. B. fresh air fan IN a vehicle interior and / or a separate ventilation fan BG can be used.
  • the supply air for the ventilation is supplied by the first supplier Al via a ventilation line Al, which is branched off from the supply air line 11 of the cathode path 10, e.g. before the humidifier H (ventilation line Al.l), after the humidifier H (ventilation line Al.2 ) or in front of the supply air cooler IC (ventilation line Al.3).
  • a ventilation line Al which is branched off from the supply air line 11 of the cathode path 10, e.g. before the humidifier H (ventilation line Al.l), after the humidifier H (ventilation line Al.2 ) or in front of the supply air cooler IC (ventilation line Al.3).
  • the purge and/or drain system Q1 has a (combined or double) purge and/or drain line LI.
  • the Stack ventilation system Q2 has (at least) one stack vent line L2.
  • the tank ventilation system Q3 has (at least) one tank ventilation line L3.
  • a fuel sensor S At the end of or downstream in the exhaust air line 12 of the cathode path 10 is a fuel sensor S, in particular exclusively one in the entire fuel cell system 100 and in the entire vehicle 1, for example in the form of a hydrogen sensor.
  • the purge and/or drain line LI, the stack ventilation line L2 and/or the tank ventilation line L3 open into the exhaust air line 12 of the cathode path 10 (preferably all three lines LI, L2, L3) in front of the fuel sensor S1, as the Figure 1 shows.
  • only one fuel sensor S can be used for the complete fuel cell system 100 and for the entire vehicle 1 .
  • all lines L1, L2, L3, which can be sources of fuel, in particular hydrogen, can be brought together in the exhaust air line 12 of the cathode path 10.
  • 1 shows the purge and/or drain line LI and the stack ventilation line L2, regardless of whether the at least one fuel cell 101 or the at least one fuel cell stack is/are open or is/are at least partially arranged in a housing 102/ and the tank vent line L3, regardless of whether the tank system 30 is open or at least partially housed in a housing 31 is shown.
  • the detection for all possible fuel leaks can be performed at one point in the fuel cell system 100 .
  • the accumulations of fuel can advantageously be diluted at least by the exhaust air from the cathode path 10 .
  • Using the fuel cell system according to the invention can continue to be a diagnostic method and / or verification method with pin pointing, ie Detection of the source from which the hydrogen leak or the hydrogen mass flow originates can be carried out, as shown in FIG.
  • the fuel accumulated in the respective systems can be reliably routed and diluted.
  • the purge gas can be diluted by means of a secondary air mass flow A2, A3, e.g. a fresh air fan IN of a vehicle interior and/or a separate ventilation fan BG. In this way, decoupling from the air compressor operation in the supply air line 11 and redundancy can be created.
  • decoupling from the cathode path 10 and redundancy can also be created for the ventilation systems Q2, Q3 of the tank system 30 and/or the stack.
  • FIG. 2 schematically shows a possible method according to the invention for diagnosing a fuel leak and/or a fuel mass flow in a fuel cell system 100 for a vehicle 1, which can be implemented as described above.
  • the method can have at least one of the following steps:
  • the diagnosis in step D4) can compare the measured value or the measured values or the measured signal of the fuel sensor S with a threshold value or with a plurality of threshold values.
  • the measured value or the measured values or the measured signal of the fuel sensor S can advantageously be evaluated over time in order to be able to detect increases in the fuel content and the leaks at an early stage. If the measured value or the measured values or the measured signal of the fuel sensor is sufficiently low, no or, depending on the threshold value, initially no more precise diagnosis is necessary. Are the values However, above an applicable limit, further diagnoses D1), D2), D3) can be carried out.
  • a low limit or a first threshold value that is not exceeded in step D4) can be a sign of “everything is OK”. From the low limit upwards, for example, a checking action can be initiated, e.g. B. more frequent reading of the fuel cell sensor S in step D4), observation of the increase in fuel content and/or initiation of further diagnoses D1), D2), D3).
  • a higher limit or a second threshold value can, for example, result in a warning action, e.g. B. Requesting the driver to stop the vehicle 1, requesting the vehicle occupants to leave the vehicle 1, warning other road users, etc.
  • a display unit e.g. B. in a dashboard of the vehicle 1, in a head-up display or similar.
  • Steps D1), D2) and/or D3) can also be carried out periodically. This makes it possible to detect the source from which the fuel leak or the fuel mass flow originates.
  • the respective paths Q1, Q2, Q3 of the possible sources are switched in such a way that only one possible source for a fuel leak or fuel mass flow is briefly detected.
  • Specific waiting times and/or averaging, recommendations to the user of the vehicle 1 can be set up between steps D1), D2) and D3).
  • the method can have at least one of the following steps:
  • the invention can provide that the method has at least one of the following steps:
  • step D6) Monitoring of measured values of the fuel sensor S in a fully aerated operation (“all open”) of the fuel cell system 100, with the purge and/or drain system Q1, the stack ventilation system Q2 and the tank ventilation system Q3 being switched off.
  • This step D6) can be carried out, for example, when the vehicle 1 is parked or shortly before the vehicle 1 is started, in order, for example, to quickly check whether everything is in order and/or to take a reference measurement for steps D1), D2) and/or D3).
  • steps D1), D2), D3), D4), D5) and / or D6) over a lifetime of the fuel cell system 100 or over a load profile, in particular after a tank change, tank filling, after a pressure change , after a change in temperature, after a certain number of starts/stops, after certain services have been rendered (several threshold values, e.g. for the mileage of the vehicle 1 or for the kilowatts of electrical output of the fuel cell system 100 are possible), whenever the vehicle 1 is parked for a long time, for example overnight or in an airport parking lot, etc., in a control unit of the fuel cell system 100 or in an online server.
  • the at least one or more fuel cell systems 100 can be monitored according to a method described above in order to evaluate the aging of the at least one or more fuel cell systems 100 or to monitor a vehicle or a vehicle fleet.
  • a vehicle 1 with a corresponding fuel cell system 100 also represents an aspect of the invention.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem (100), aufweisend: mindestens eine Brennstoffzelle (101), welche mit einem Stack-Belüftungssystem (Q2) ausgeführt ist, einen Kathodenpfad (10) zum Bereitstellen eines sauerstoffhaltigen Reaktanten an die mindestens eine Brennstoffzelle (101), wobei der Kathodenpfad (10) eine Zuluftleitung (11) zum Bereitstellen einer Zuluft zu der mindestens einen Brennstoffzelle (101) und eine Abluftleitung (12) zum Abführen einer Abluft von der mindestens einen Brennstoffzelle (101) aufweist, einen Anodenpfad (20) zum Bereitstellen eines brennstoffhaltigen Reaktanten an die mindestens eine Brennstoffzelle (101), wobei der Anodenpfad (20) eine Purge- und/oder Drainsystem (Q1) zum Spülen des Anodenpfades (20) und/oder zum Abführen von einem Produktwasser aus dem Anodenpfad (20) aufweist, und ein Tanksystem (30) mit mindestens einem Tank (T) für den brennstoffhaltigen Reaktanten, welches mit einem Tank-Belüftungssystem (Q3) ausgeführt ist, wobei das Purge- und/oder Drainsystem (Q1) eine Purge- und/oder Drainleitung (L1) aufweist, wobei das Stack-Belüftungssystem (Q2) eine Stack-Entlüftungsleitung (L2) aufweist, wobei das Tank-Belüftungssystem (Q3) eine Tank-Entlüftungsleitung (L3) aufweist, wobei stromabwärts in der Abluftleitung (12) des Kathodenpfades (10) ein Brennstoffsensor (S) vorgesehen ist, und wobei die Purge- und/oder Drainleitung (L1), die Stack-Entlüftungsleitung (L2) und/oder die Tank-Entlüftungsleitung (L3) in die Abluftleitung (12) des Kathodenpfades (10) vor dem Brennstoffsensor (S) münden.

Description

Beschreibung
Titel
Brennstoffzellensystem und ein Verfahren zur Diagnose einer Brennstoff- Leckage und/oder zum Überprüfen eines Brennstoff- Massenstroms in einem Brennstoffzellensystem
Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem, bspw. für ein Fahrzeug, nach dem unabhängigen Vorrichtungsanspruch. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Diagnose einer Brennstoff- Leckage in einem Brennstoffzellensystem nach dem unabhängigen Verfahrensanspruch sowie ein Fahrzeug mit einem entsprechenden Brennstoffzellensystem nach dem nebengeordneten Vorrichtungsanspruch.
Stand der Technik
Brennstoffzellensysteme sind grundsätzlich bekannt, auch als Energielieferanten bei Fahrzeugen. In Brennstoffzellensystemen wird in der Regel das Oxidationsmittel Sauerstoff aus der Umgebungsluft und als Reduktionsmittel bzw. Kraftstoff Wasserstoff benutzt, um in dem Brennstoffzellenstapel des Systems zu Wasser (bzw. Wasserdampf) zu reagieren und damit durch elektrochemische Wandlung eine elektrische Leistung zu liefern. Die Umgebungsluft wird zumeist mittels eines Kathodenpfades mit einem Luftverdichtungssystem dem Brennstoffzellenstapel bereitgestellt. Der Wasserstoff wird in der Regel in einem Hochdrucktank (bspw. 700bar) gespeichert und über Leitungen und Ventile dem Brennstoffzellenstapel zugeführt und in einem loopartigen Anodenpfad rezirkuliert. Der Anodenloop muss im Betrieb in periodischer Weise gespült („purg“) und entwässert („drain“) werden, um den zunehmenden Stickstoffgehalt (durch Diffusion über die Membran) und das anreichende Wasser in der Anode zu senken. Ein Teil des Purge-Gases ist dabei auch Wasserstoff, weshalb das Purge-Gas in den Luftsystem-Abgaskanal geleitet und dort durch den Luftmassenstrom soweit verdünnt wird, dass kein explosives Gemisch entstehen kann.
Der Brennstoffzellenstapel umfasst meistens mehrere Brennstoffzellen, die mit vielen Dichtungen gegenseitig abgedichtet werden. Diese Dichtungen unterliegen jedoch Temperaturwechsel, Druckwechsel, usw. und altern entsprechend.
Deshalb sind die Brennstoffzellenstapel üblicherweise auch nicht dicht im absoluten Sinne. Zum anderen können die Hochdrucktanks zur Speicherung des Wasserstoffs bzw. deren Armaturen, Aktoren, Sensoren und/oder Rohrleitungen undicht werden.
Da Wasserstoff sehr flüchtig ist und mit Luft ein explosives Gemisch bilden kann, insbesondere in abgegrenzten oder geschlossenen Räumen, ist es sicherheitsrelevant eventuelle Wasserstoffleckagen sicher zu erkennen. Zur Wasserstoff-Leckage- Erkennung werden üblicherweise Wasserstoffsensoren eingebaut. Diese Sensoren sind mit signifikanten Kosten verbunden. Bei einer Verwendung im Fahrzeug werden zumeist mehrere Wasserstoffsensoren an verschiedenen Stellen benötigt. Außerdem, wenn in begrenzten Räumen Wasserstoff- Leckagen nicht ausgeschlossen werden können, werden in der Regel Belüftungssysteme eingesetzt, um einen ausreichend hohen Luftwechsel zu garantieren und Wasserstoff-Ansammlungen zu vermeiden, die zu explosionsfähigen Gemischen führen könnten.
Offenbarung der Erfindung
Die Erfindung sieht gemäß einem ersten Aspekt ein Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen des unabhängigen Vorrichtungsanspruches vor. Ferner sieht die Erfindung gemäß einem zweiten Aspekt ein Verfahren zur Diagnose einer Brennstoff- Leckage und/oder zum Überwachen eines Brennstoff- Massenstroms in einem Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen des unabhängigen Verfahrensanspruches sowie gemäß einem dritten Aspekt ein Fahrzeug mit einem entsprechenden Brennstoffzellensystem nach dem nebengeordneten Vorrichtungsanspruch mit den Merkmalen des nebengeordneten Vorrichtungsanspruches vor. Weitere Vorteile, Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und/oder dem erfindungsgemäßen Fahrzeug und jeweils umgekehrt, sodass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird bzw. werden kann.
Die vorliegende Erfindung sieht gemäß dem ersten Aspekt ein Brennstoffzellensystem, bspw. für ein Fahrzeug, vor, aufweisend mindestens eine Brennstoffzelle (vorzugsweise einen Brennstoffzellenstack), welche(r) mit einem Stack- Belüftungssystem ausgeführt ist. Ferner weist das Brennstoffzellensystem einen Kathodenpfad zum Bereitstellen eines sauerstoffhaltigen Reaktanten an die mindestens eine Brennstoffzelle auf, wobei der Kathodenpfad eine Zuluftleitung zum Bereitstellen einer Zuluft zu der mindestens einen Brennstoffzelle und eine Abluftleitung zum Abführen einer Abluft von der mindestens einen Brennstoffzelle aufweist. Weiterhin weist das Brennstoffzellensystem einen Anodenpfad zum Bereitstellen eines brennstoff haltigen Reaktanten an die mindestens eine Brennstoffzelle auf, wobei der Anodenpfad ein Purge- und/oder Drainsystem zum Spülen des Anodenpfades und/oder zum Abführen von einem Produktwasser aus dem Anodenpfad aufweist. Des Weiteren weist das Brennstoffzellensystem ein, vorzugsweise modular aufgebautes, Tanksystem mit mindestens einem Tank (vorzugsweise mehreren Tanks bzw. Flaschen pro Modul) für den brennstoffhaltigen Reaktanten auf, welches mit einem Tank-Belüftungssystem ausgeführt ist. Das Purge- und/oder Drainsystem weist wiederum eine Purge- und/oder Drainleitung (die ebenfalls als eine Purge- und/oder Drain-Ablassleitung bezeichnet werden kann) auf. Das Stack-Belüftungssystem weist eine Stack- Entlüftungsleitung (die wiederum je eine Stack- Entlüftungsleitung pro Stack in einem modularen Brennstoffzellensystem mit mehreren Stacks umfassen kann) auf. Das Tank-Belüftungssystem weist eine Tank- Entlüftungsleitung (die wiederum mehrere Tank-Entlüftungsleitungen pro Modul in einem modularen Tanksystem mit mehreren Modulen umfassen kann) auf. Stromabwärts in der Abluftleitung des Kathodenpfades ist ein, insbesondere ausschließlich ein im gesamten Brennstoffzellensystem sowie im gesamten Fahrzeug, Brennstoffsensor, bspw. in Form eines Wasserstoffsensors, vorgesehen. Die Erfindung sieht zudem vor, dass die Purge- und/oder Drainleitung, die Stack- Entlüftungsleitung und/oder die Tank-Entlüftungsleitung (vorzugsweise alle Entlüftungsleitungen und die Purge- und/oder Drainleitung) in die Abluftleitung des Kathodenpfades vor dem Brennstoffsensor münden, insbesondere fluidisch angeschlossen sind.
Stromabwärts in der Abluftleitung kann ung. am Ende der Abluftleitung sein, wobei nach dem Brennstoffsensor noch ein Schalldämpfer oder andere Einbauten, wie z.B. Wassertank, angeordnet sein können.
Das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem kann in Form eines Brennstoffzellenstapels, eines sog. Brennstoffzellenstacks, mit mehreren gestapelten Wiederholeinheiten in Form einzelner Brennstoffzellen, vorzugsweise PEM-Brennstoffzellen, ausgeführt sein. Zudem kann das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem modular ausgebildet sein und mehrere Brennstoffzellenstapel bzw. Brennstoffzellenstacks aufweisen.
Das Purge und Drainsystem im Sinne der Erfindung kann zusammengefasst sein (ein Ventil und eine Leitung) oder separat umgesetzt sein (ein Purge-Ventil mit einer Purge-Leitung und ein Drain-Ventil mit einer Drain-Leitung).
Das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem kann vorteilhafterweise für mobile Anwendungen, wie bspw. in Kraftfahrzeugen, oder für stationäre Anwendungen, wie bspw. in Generatoranlagen, verwendet werden.
Die Erfindung stellt somit ein optimiertes Brennstoffzellensystem und ein verbessertes Fahrzeug, einschließlich eines Diagnoseverfahrens, auf welches im Nachfolgenden im Detail eingegangen wird, mit einer minimalen Anzahl von Brennstoffsensoren, vorzugsweise mit nur einem Brennstoffsensor, im gesamten Brennstoffzellensystem sowie im gesamten Fahrzeug bereit.
Der Kern der Erfindung liegt dabei darin, dass für das komplette Brennstoffzellensystem und entsprechend für das gesamte Fahrzeug nur ein Brennstoffsensor eingesetzt werden kann. Dabei können in der Abluftleitung des Kathodenpfades alle Entlüftungsleitungen und die Purge- und/oder Drainleitung (einschließlich der gemischten oder separaten Purge- und/oder Drainleitung(en)) zusammengeführt werden, die gewollt und/oder ungewollt Quellen von Brennstoff, insbesondere Wasserstoff, sein können. Hierzu zählen gemäß der Erfindung mindestens die Purge- und/oder Drainleitung (gewollte Quelle von Brennstoff- Massenstrom), die Stack- Entlüftungsleitung (ungewollte Quelle von Brennstoff-Leckagen, wobei die Stack- Entlüftungsleitung wiederum ebenfalls mehrere Stack- Entlüftungsleitungen in einem modularen Brennstoffzellensystem mit mehreren Stacks umfassen kann), ungeachtet dessen, ob die mindestens eine Brennstoffzelle oder der mindestens eine Brennstoffzellenstack offen ist/sind oder zumindest zum Teil in einem Gehäuse angeordnet ist/sind, die Tank- Entlüftungsleitung, ungeachtet dessen, ob das Tanksystem offen ist oder zumindest zum Teil in einem Gehäuse angeordnet ist oder modular mit mehreren Gehäusen sowie mit einer oder mehreren Brennstoff- Flaschen aufgebaut ist, wobei weitere Quellen für mögliche Brennstoff- Leckagen sowie Brennstoff- Massenströme analog den genannten Entlüftungsleitungen an die Abluftleitung des Kathodenpfades, vorzugsweise vor dem Brennstoffsensor fluidisch angeschlossen werden können.
Der Erfindungsgedanke liegt dabei darin, die Detektion für alle möglichen (ungewollten) Brennstoff-Leckagen und/oder alle möglichen (gewollten) Brennstoff- Massenströme an einer Stelle durchzuführen. Vorteilhafterweise können die Brennstoff-Ansammlungen zumindest durch die Abluft des Kathodenpfades verdünnt werden. Mithilfe des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems kann auch ein Diagnose-Verfahren und/oder ein Überwachungsverfahren mit Pin-Pointing, d.h. Detektion aus welcher Quelle die Wasserstoff- Leckage bzw. der Wasserstoff- Massenstrom stammt, durchgeführt werden. Die Anbindung des Belüftungssystems für das Tanksystem und des Belüftungssystems für den(die) Stack(s) an die Abluftleitung hilft den sich in den jeweiligen Systemen angesammelten Brennstoff zuverlässig abzuführen. Des Weiteren ist es im Rahmen der Erfindung vorteilhaft, die Verdünnung des Purgegases mittels eines sekundären Luftmassenstroms, z.B. eines Frischluftgebläses eines Fahrzeuginnenraums und/oder eines separaten Belüftungsgebläses, durchzuführen bzw. zu ergänzen und damit eine Entkopplung vom Luftverdichter- Betrieb in der Zuluftleitung und/oder eine Redundanz zu schaffen. Aber auch für die Belüftungssysteme des Tanksystems und/oder des(r) Stacks kann eine Entkoppelung vom Kathodenpfad und/oder eine Redundanz geschaffen werden. Vorteilhafterweise erfordern mithilfe der Erfindung auch sekundäre Luftsysteme im Fahrzeug, wie z. B. eines Fahrzeuginnenraums, eines Tanksystems, eines Kofferraumsystems usw. keine separate Brennstoffsensoren.
Ferner kann die Erfindung bei einem Brennstoffzellensystem vorsehen, dass das Stack- Belüftungssystem und/oder das Tank-Belüftungssystem mindestens eine Belüftungsleitung (gemeint ist eine Belüftung-Zuleitung) aufweisen. Die mindestens eine Belüftungsleitung kann dabei von einer Frischluftquelle, bspw. Zuluft aus dem Kathodenpfad, ein Frischluftgebläse eines Fahrzeuginnenraums und/oder ein separates Belüftungsgebläse, zu dem jeweiligen System, bspw. in das jeweilige Gehäuse, führen.
Weiterhin kann die Erfindung bei einem Brennstoffzellensystem vorsehen, dass die mindestens eine Belüftungsleitung an die Zuluftleitung des Kathodenpfades angeschlossen ist, um die Zuluft aus der Zuluftleitung des Kathodenpfades zum Belüften der mindestens einen Brennstoffzelle bzw. des(r) Stacks im Rahmen des Stack- Belüftungssystems, zum Verdünnen eines Purgegases aus dem Anodenpfad und/oder zum Belüften des Tanksystems bereitzustellen. Dabei ist es denkbar, dass die mindestens eine Belüftungsleitung vor einem Befeuchter an die Zuluftleitung des Kathodenpfades angeschlossen sein kann. Somit kann eine trockene Zuluft aus der Zuluftleitung zum Verdünnen des Purgegases aus dem Anodenpfad des Brennstoffzellensystems und/oder zum Belüften des Stacks und/oder Tanksystems bereitgestellt werden. Ferner ist es denkbar, dass die mindestens eine Belüftungsleitung nach einem Befeuchter an die Zuluftleitung des Kathodenpfades angeschlossen sein kann. Somit kann eine befeuchtete Zuluft aus der Zuluftleitung zum Verdünnen des Purgegases der Anode des Brennstoffzellensystems und/oder zum Belüften des Stacks und/oder Tanksystems bereitgestellt werden. Weiterhin ist es denkbar, dass die mindestens eine Belüftungsleitung vor einem Zuluftkühler an die Zuluftleitung des Kathodenpfades angeschlossen ist. Somit kann eine erwärmte Zuluft aus der Zuluftleitung zum Verdünnen des Purgegases aus dem Anodenpfad des Brennstoffzellensystems und/oder zum Belüften des Stacks und/oder Tanksystems bereitgestellt werden. Des Weiteren kann die Erfindung bei einem Brennstoffzellensystem vorsehen, dass die mindestens eine Belüftungsleitung an ein Frischluftgebläse eines Fahrzeuginnenraums angeschlossen ist, um eine Frischluft und/oder eine Kabinenluft zum Belüften der mindestens einen Brennstoffzelle bzw. des(r) Stacks im Rahmen des Stack- Belüftungssystems, zum Verdünnen eines Purgegases aus dem Anodenpfad und/oder zum Belüften des Tanksystems bereitzustellen. Somit kann eine zusätzliche Belüftungsquelle bereitgestellt werden. Dies kann vorteilhaft sein, wenn der Verdichter im Kathodenpfad ausgeschaltet ist oder um den Verdichter bei Teillast weiterzubetreiben (falls angeforderter Stack- Luft- Massenstrom für die Verdünnung nicht ausreichen würde).
Zudem kann die Erfindung bei einem Brennstoffzellensystem vorsehen, dass die mindestens eine Belüftungsleitung an ein separates Belüftungsgebläse angeschlossen ist, um eine frische Luft zum Belüften der mindestens einen Brennstoffzelle bzw. des(r) Stacks im Rahmen des Stack- Belüftungssystems, zum Verdünnen eines Purgegases aus dem Anodenpfad und/oder zum Belüften des Tanksystems bereitzustellen. Auch damit kann eine zusätzliche Belüftungsquelle bereitgestellt werden, um den Verdichter zu unterstützen oder zu ersetzen.
Die Erfindung stellt gemäß dem zweiten Aspekt ein Verfahren zur Diagnose einer Brennstoff- Leckage und/oder zum Überprüfen eines Brennstoff- Massenstroms mithilfe eines Brennstoffzellensystems für ein Fahrzeug bereit, welches wie oben beschrieben ausgeführt sein kann. Mithilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens können die gleichen Vorteile erreicht werden, die oben im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem beschrieben wurden. Auf diese Vorteile wird vorliegend vollumfänglich Bezug genommen.
Vorteilhafterweise kann die Erfindung bei einem Verfahren zur Diagnose einer Brennstoff- Leckage und/oder zum Überprüfen eines Brennstoff- Massenstroms mindestens einen folgenden Schritt vorsehen:
D4) Überwachen von Messwerten des Brennstoffsensors im laufenden Betrieb des Brennstoffzellensystems. Die Diagnose im Schritt D4) kann vorteilhafterweise im laufenden Normalbetrieb des Brennstoffzellensystems, ohne viel Aufwand und mit wenig Rechenleistung durchgeführt werden. Der Messwert oder die Messwerte oder das Messsignal des Brennstoffsensors kann mit einer Schwelle bzw. mehreren Schwellen verglichen werden. Der Messwert oder die Messwerte oder das Messsignal des Brennstoffsensors kann vorteilhafterweise über die Zeit ausgewertet werden, um Brennstoffgehalt- Anstiege und die Leckagen frühzeitig zu erkennen. Liegt der Messwert oder die Messwerte oder das Messsignal des Brennstoffsensors ausreichend niedrig, so ist keine oder je nach Schwellenwert zunächst keine genauere Diagnose notwendig. Liegen die Werte jedoch über einer applizierbaren Grenze, so können weiteren Diagnosen Dl), D2), D3) durchgeführt werden.
Ferner kann die Erfindung bei einem Verfahren vorsehen, dass im Schritt D4) das Stack- Belüftungssystem und das Tank-Belüftungssystem aktiv sind, wobei das Purge- und/oder Drainsystem inaktiv (d. h. aktuell nicht angesteuert oder geschlossen)) ist. Somit kann der Normalbetrieb des Brennstoffzellensystems abgebildet werden.
Weiterhin kann die Erfindung bei einem Verfahren vorsehen, dass im Schritt D4) mindestens ein oder mehrere Schwellenwerte für eine Brennstoff- Konzentration überwacht werden. Auf diese Weise können applizierbare Grenzen bestimmt werden, um ein jeweiliges Handeln einzuleiten. Eine niedrige Grenze, die nicht überschritten wird, kann ein Zeichen für „Alles in Ordnung“ sein. Ab der niedrigen Grenze kann bspw. ein überprüfendes Handeln eingeleitet werden, wie z. B. frequenteres Ablesen des Brennstoffzellensensors im Schritt D4), Beobachten des Brennstoffgehaltanstiegs und/oder Einleiten weiterer Diagnosen Dl), D2), D3). Eine höhere Grenze kann bspw. ein warnendes Handeln einleiten, wie z. B. Auffordern zum Anhalten des Fahrzeuges, Auffordern der Fahrzeuginsassen, das Fahrzeug zu verlassen, Warnen der anderen Verkehrsteilnehmer usw.
Vorteilhafterweise kann der Schritt D4) periodisch durchgeführt werden. Somit kann das Brennstoffzellensystem und/oder Fahrzeug prophylaktisch auf Brennstoff-Leckagen überprüft werden. Ebenfalls kann es vorteilhaft sein, den Benutzer über die Ergebnisse des erfindungsgemäßen Verfahrens zu informieren, bspw. über eine Anzeigeeinheit, z. B. in einem Armaturenbrett des Fahrzeuges, in einem Head-up-Display usw.
Des Weiteren kann die Erfindung vorsehen, dass das Verfahren mindestens einen der folgenden Schritte aufweist:
Dl) Betreiben des Purge- und/oder Drainsystems, wobei das Stack- Belüftungssystem und das Tank- Belüftungssystem inaktiv (d. h. temporär deaktiviert, geschlossen oder nicht im Betrieb) sind, und/oder D2) Betreiben des Stack- Belüftungssystems, wobei das Purge- und/oder Drainsystem und das Tank- Belüftungssystem temporär inaktiv, geschlossen oder nicht im Betrieb sind, und/oder D3) Betreiben des Tank- Belüftungssystems, wobei das Purge- und/oder Drainsystem und das Stack- Belüftungssystem inaktiv sind, wobei insbesondere die Schritte Dl), D2) und/oder D3) periodisch durchgeführt werden. Somit kann ein Diagnose-Verfahren mit Pin-Pointing, d.h. Detektion aus welcher Quelle die Wasserstoff- Leckage bzw. der Wasserstoff- Massenstrom stammt, durchgeführt werden. Dazu werden die jeweiligen Pfade der Belüftungssysteme so geschaltet, dass kurzzeitig nur eine mögliche Quelle für eine Brennstoff- Leckage bzw. Wasserstoff- Massenstrom detektiert wird.
Zwischen den Schritte Dl), D2) und D3) können bestimmte Wartezeiten und/oder Mittelungen, Empfehlungen an den Benutzer, etc. eingerichtet werden. Somit können die jeweiligen Einzelwerte für mögliche Quellen für Brennstoff- Leckagen bzw. Wasserstoff- Massenstrom ermittelt werden. Zudem ist es denkbar, dass die Werte untereinander, miteinander oder auch in Kombination miteinander verglichen werden, um die Ergebnisse des Verfahrens zu plausibilisieren (bspw. Wert in D4 = Wert in D2+Wert in D3?) Die Diagnosen können auch prophylaktisch in periodischen Abständen durchgeführt werden.
Zudem kann die Erfindung vorsehen, dass das Verfahren mindestens einen der folgenden Schritte aufweist:
D5) Überwachen von Messwerten des Brennstoffsensors in einem unbelüfteten Betrieb des Brennstoffzellensystems, wobei das Purge- und/oder Drainsystem, das Stack- Belüftungssystem und das Tank- Belüftungssystem inaktiv sind. Somit kann die Erfindung auf eine vorteilhafte Weise dazu dienen, um den Brennstoffsensor zu kalibrieren. Hinzu kommt noch, dass die Erfindung auf eine vorteilhafte Weise dazu dienen kann, um eine Offen/Zu- Diagnose eines Purge- Ventils durchzuführen.
Außerdem kann die Erfindung vorsehen, dass das Verfahren mindestens einen der folgenden Schritte aufweist:
D6) Überwachen von Messwerten des Brennstoffsensors in einem voll belüfteten Betrieb des Brennstoffzellensystems, wobei das Purge- und/oder Drainsystem, das Stack-Belüftungssystem und das Tank- Belüftungssystem aktiv sind. Auf diese Weise können alle Belüftungssysteme im Vollbetrieb überprüft werden.
Dies kann bspw. beim Abstellen des Fahrzeuges oder kurz vor dem Starten des Fahrzeuges vorteilhaft sein, um bspw. schnell zu überprüfen, ob alles in Ordnung ist, und/oder um eine Plausibitätsmessung, z. B. für die Schritte Dl), D2) und/oder D3), zu erhalten.
Vorteilhafterweise ist es im Rahmen der Erfindung möglich, dass die Ergebnisse der Schritte Dl), D2), D3), D4), D5) und/oder D6) in einem Speicher des Brennstoffzellensystems oder in einem Online-Speicher aufgezeichnet werden. Auf diese Weise können charakteristische Referenzwerte über das jeweilige System geschaffen werden.
Ferner kann es vorteilhaft sein, wenn die Ergebnisse der Schritte Dl), D2), D3), D4), D5) und/oder D6) über eine Lebenszeit des Brennstoffzellensystems oder über ein Belastungsprofil, insbesondere nach einem Tankwechsel, Tankbefüllen, nach einem Druckwechsel, nach einem Temperaturwechsel, nach einer bestimmten Anzahl von Start/Stopps, nach bestimmten erbrachten Leistungen (hier sind bestimmte festgelegte Schwellenwerte möglich), bei jedem langfristigen Parken des Fahrzeuges, bspw. über Nacht oder auf einem Flughafen- Parkplatz etc., in einem Steuergerät des Brennstoffzellensystems oder in einem Online-Server ausgewertet werden.
Weiterhin kann es vorteilhaft sein, wenn das mindestens eine oder mehrere Brennstoffzellensysteme gemäß einem oben beschriebenen Verfahren überwacht werden, um die Alterung des mindestens einen oder mehrerer Brennstoffzellensysteme auszuwerten bzw. ein Fahrzeug oder eine Fahrzeugflotte zu überwachen.
Die Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens können in der vorgegebenen oder in einer abgeänderten Reihenfolge durchgeführt werden. Vorteilhafterweise können die Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens simultan und/oder wiederholend durchgeführt werden, um einen fließenden Prozess zu ermöglichen.
Gemäß dem dritten Aspekt stellt die Erfindung ein Fahrzeug mit einem Brennstoffzellensystem bereit, welches wie oben beschrieben ausgeführt sein kann. Mithilfe des erfindungsgemäßen Fahrzeuges können die gleichen Vorteile erreicht werden, die oben im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem und/oder mit dem erfindungsgemäßen Verfahren beschrieben wurden. Auf diese Vorteile wird vorliegend vollumfänglich Bezug genommen.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele:
Die Erfindung und deren Weiterbildungen sowie deren Vorteile werden nachfolgend anhand von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen jeweils schematisch:
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellensystems im Sinne der Erfindung und
Fig. 2 eine schematische Darstellung eines Diagnoseverfahrens im Sinne der Erfindung.
In den unterschiedlichen Figuren sind gleiche Teile der Erfindung stets mit denselben Bezugszeichen versehen, weshalb diese in der Regel nur einmal beschrieben werden.
Die Figur 1 zeigt ein Brennstoffzellensystem 100 im Sinne der Erfindung, welches bspw. als eine Antriebsenergiequelle in einem Fahrzeug 1, vorzugsweise in einem Elektrofahrzeug und/oder einem hochautomatisierten oder sogar autonom fahrenden Fahrzeug, verwendet werden kann.
Das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem 100 weist mindestens eine Brennstoffzelle 101 oder sogar einen Stapel an mehreren Brennstoffzellen 101 auf, die zu einem Brennstoffzellenstack zusammengefügt sind, welche(r) mit einem Stack- Belüftungssystem Q2 ausgeführt ist. Die Brennstoffzelle 101 oder der Brennstoffzellenstack oder -stapel kann nach außen hin Brennstoff- Leckage aufweisen, da die vielen Brennstoffzellen 101 mit vielen Dichtungen ausgeführt sind, die verschiedenen Alterungsmechanismen durch Medien, mechanische Spannungen, Temperaturwechsel, Druckwechsel, usw. unterliegen. Die Brennstoffzelle 101 oder der Brennstoffzellenstack oder -stapel kann zumindest zum Teil in einem Gehäuse 102 (zumindest im oberen Bereich) aufgenommen werden, sodass eine Belüftung gezielt erfolgen kann. Austretender Brennstoff, insbesondere Wasserstoff, kann sich in einem oberen Bereich ansammeln, aus dem die Stack- Entlüftungsleitung L2 des Stack- Belüftungssystems Q2 führen kann. Die Stack- Entlüftungsleitung L2 des Stack- Belüftungssystems Q2 wird erfindungsgemäß in eine Abluftleitung 12 eines Kathodenpfades 10 vor dem Brennstoffsensor S, insbesondere in Form eines Wasserstoffsensors, eingeleitet. Die Abluft aus der Abluftleitung 12 des Kathodenpfades 10 kann den sich eventuell angesammelten Brennstoff verdünnen.
Für die Belüftung der Brennstoffzelle 101 oder des Brennstoffzellenstacks kann als erster Lieferant Al die Zuluft aus der Zuluftleitung 11 des Kathodenpfades 10 oder von einem weiteren Lieferanten A2, A3, wie z. B. Frischluftgebläse IN eines Fahrzeuginnenraums und/oder einem separaten Belüftungsgebläse BG verwendet werden. Die Zuluft kann dabei bspw. über eine Verbindungsleitung, die optional, aber vorteilhaft eine Drossel VSQ2, VSQ3 und/oder ein regelbares Ventil VQ2, VQ3 enthalten kann, zum Gehäuse 102 der Brennstoffzelle 101 oder des Brennstoffzellenstacks, vorzugsweise in den unteren Bereich, eingeleitet werden. Für die Lieferung des Luftmassenstroms können verschiedene Lieferanten (wie z. B. die Zuluftleitung 11, ein Frischluftgebläse IN eines Fahrzeuginnenraums und/oder ein separates Belüftungsgebläse BG) für die Belüftungsleitungen Al, A2, A3 möglich sein, wie es im Nachfolgenden noch im Detail beschrieben wird. Wie oben bereits erwähnt ist, weist das Brennstoffzellensystem 100 einen Kathodenpfad 10 zum Bereitstellen eines sauerstoffhaltigen Reaktanten an die mindestens eine Brennstoffzelle 101 oder an den Brennstoffzellenstack auf, wobei der Kathodenpfad 10 eine Zuluftleitung 11 zum Bereitstellen einer Zuluft zu der mindestens einen Brennstoffzelle 101 und eine Abluftleitung 12 zum Abführen einer Abluft von der mindestens einen Brennstoffzelle 101 aufweist. Die erfindungsgemäße Systemtopologie sieht nur einen Brennstoffsensor S im Brennstoffzellensystem 101 sowie im gesamten Fahrzeug 1 vor. Verschiedene Quellen für Brennstoff- Leckagen bzw. Brennstoff- Massenströme werden durch entsprechende Belüftungssysteme Ql, Q2, Q3 in die Abluftleitung 12 des Kathodenpfades 10 geführt.
Der Kathodenpfad 10 ist in der Figur 1 beispielhaft gezeichnet. Die Zuluft kann dabei z. B. aus der Umgebung U angesaugt und entsprechend den Erfordernissen der Brennstoffzelle 101 mithilfe eines Luftfilters AF gefiltert werden. Unterschiedliche Systemtopologien mit/ohne eines Zuluftkühlers IC, mit/ohne einer Turbine in der Abluftleitung 12, mit/ohne einer Bypassleitung mit einem Bypassventil BV, mit/ohne eines Befeuchters H, mit/ohne Absperrventile SV1, SV2, mit einer ein- oder mehrstufigen Verdichtung, mit einem einflutig oder mehrflutigen Verdichter V, mit Ein- oder Zweiwellensystemen, mit/ohne Wassereinspritzung, etc. möglich.
Weiterhin weist das Brennstoffzellensystem 100 einen Anodenpfad 20 zum Bereitstellen eines brennstoff haltigen Reaktanten an die mindestens eine Brennstoffzelle 101 oder an den Brennstoffzellenstack auf, wobei der Anodenpfad 20 eine Purge- und/oder Drainsystem Ql zum Spülen des Anodenpfades 20 und/oder zum Abführen von einem Produktwasser aus dem Anodenpfad 20 aufweist. Die Purge- und/oder Drainleitung LI wird vorteilhafterweise in die Abluftleitung 12 des Kathodenpfades 10 vor dem Brennstoffsensor S eingeleitet und dort verdünnt.
Der Purge-Vorgang kann vorteilhafterweise nicht nur dann stattfinden, wenn der Kathodenpfad 10 ausreichend Luftmassenstrom/Luftvolumenstrom zur Verfügung stellt, sondern auch wenn das nicht der Fall ist. Hierzu können mithilfe des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems 100 neben der Zuluft aus der Zuluftleitung 11 weitere Lieferanten A2, A3, wie z. B. FrischluftgebläselN eines Fahrzeuginnenraums und/oder einem separaten Belüftungsgebläse BG verwendet werden.
Des Weiteren weist das Brennstoffzellensystem 100 ein, vorzugsweise modular aufgebautes, Tanksystem 30 mit mindestens einem Tank T (vorzugsweise mehreren Tanks T bzw. Flaschen pro Modul) für den brennstoffhaltigen Reaktanten auf, welches mit einem Tank-Belüftungssystem Q3 ausgeführt ist. Das Tanksystem 30 kann bspw. im hinteren Bereich des Fahrzeugs 1 angeordnet werden (z.B. in einem Kofferraum), aber auch in einem Unterboden des Fahrzeugs (z. B. unterhalb des Brennstoffzellenstacks oder unterhalb des Fahrgastraumes). Durch den modularen Aufbau des Tanksystems 20 verkleinert sich der Abstand zwischen Tanksystem 30 und dem Stack und/oder dem Kathodenpfad 10 und es können einfacher Verbindungen zwischen diesen Systemen implementiert werden. Vorteilhafterweise können die einzelnen Tanks T in einem Modul, bspw. von mehreren Modulen in dem Tanksystem 30, mittels (jeweils) eines Tankgehäuses 31 umschlossen werden, welches ein Teil des Tank-Belüftungssystems Q3 bilden kann. Das Tankgehäuse 31 kann wiederum eine Tank-Entlüftungsleitung L3 aufweisen.
Für die Belüftung des Tanksystems 30 kann als erster Lieferant Al die Zuluft aus der Zuluftleitung 11 des Kathoden pfades 10 und/oder die Frischluft von einem weiteren Lieferanten A2, A3, wie z. B. Frischluftgebläse IN eines Fahrzeuginnenraums und/oder einem separaten Belüftungsgebläse BG, verwendet werden.
Die Zuluft für die Belüftung wird von dem ersten Lieferant Al über eine Belüftungsleitung Al, die von der Zuluftleitung 11 des Kathoden pfades 10 abgezweigt ist, bspw. vor dem Befeuchter H (Belüftungsleitung Al.l), nach dem Befeuchter H (Belüftungsleitung Al.2) oder vor dem Zuluftkühler IC (Belüftungsleitung Al.3).
Erfindungsgemäß weist das Purge- und/oder Drainsystem Ql eine (kombinierte oder doppelte) Purge- und/oder Drainleitung LI auf. Das Stack- Belüftungssystem Q2 weist (mindestens) eine Stack- Entlüftungsleitung L2 auf. Das Tank- Belüftungssystem Q3 weist (mindestens) eine Tank-Entlüftungsleitung L3 auf. Am Ende der bzw. stromabwärts in der Abluftleitung 12 des Kathoden pfades 10 ist ein, insbesondere ausschließlich ein im gesamten BrennstoffzellensystemlOO sowie im gesamten Fahrzeug 1, Brennstoffsensor S, bspw. in Form eines Wasserstoffsensors, angeordnet. Erfindungsgemäß münden die Purge- und/oder Drainleitung LI, die Stack- Entlüftungsleitung L2 und/oder die Tank- Entlüftungsleitung L3 in die Abluftleitung 12 des Kathodenpfades 10 (vorzugsweise alle drei Leitungen LI, L2, L3) vor dem Brennstoffsensor Sl, wie es die Figur 1 zeigt.
Im Rahmen der Erfindung kann für das komplette Brennstoffzellensystem 100 sowie für das gesamte Fahrzeug 1 nur ein Brennstoffsensor S verwendet werden. Dabei können in der Abluftleitung 12 des Kathodenpfades 10 alle Leitungen LI, L2, L3 zusammengeführt werden, die Quellen von Brennstoff, insbesondere Wasserstoff, sein können. In der Figur 1 sind beispielhaft die Purge- und/oder Drainleitung LI, die Stack- Entlüftungsleitung L2, ungeachtet dessen, ob die mindestens eine Brennstoffzelle 101 oder der mindestens eine Brennstoffzellenstack offen ist/sind oder zumindest zum Teil in einem Gehäuse 102 angeordnet ist/sind, und die Tank-Entlüftungsleitung L3, ungeachtet dessen, ob das Tanksystem 30 offen ist oder zumindest zum Teil in einem Gehäuse 31 angeordnet ist, gezeigt. Im Rahmen der Erfindung sind aber auch weitere Quellen für mögliche Brennstoff- Leckagen denkbar, die ebenfalls wie die genannten Entlüftungsleitungen LI, L2, L3 an die Abluftleitung 12 des Kathodenpfades 10, vorzugsweise vor dem Brennstoffsensor S fluidisch angeschlossen werden können.
Somit kann die Detektion für alle möglichen Brennstoff-Leckagen an einer Stelle im Brennstoffzellensystem 100 durchgeführt werden. Vorteilhafterweise können die Brennstoff-Ansammlungen zumindest durch die Abluft des Kathodenpfades 10 verdünnt werden.
Mithilfe des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems kann weiterhin ein Diagnose-Verfahren und/oder Überprüfungs-Verfahren mit Pin-Pointing, d.h. Detektion aus welcher Quelle die Wasserstoff- Leckage bzw. der Wasserstoff- Massenstrom stammt, durchgeführt werden, wie in der Figur 2 gezeigt ist.
Durch Anbindung des Tank-Belüftungssystems Q3 und des Stack- Belüftungssystems Q2 an die Abluftleitung 12 kann der sich in den jeweiligen Systemen angesammelte Brennstoff zuverlässig angeführt und verdünnt werden.
Vorteilhafterweise ist es bei dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem 100, dass die Verdünnung des Purgegases mittels eines sekundären Luftmassenstroms A2, A3, z.B. eines Frischluftgebläses IN eines Fahrzeuginnenraums und/oder eines separaten Belüftungsgebläses BG, durchgeführt werden kann. Somit kann eine Entkopplung vom Luftverdichter- Betrieb in der Zuluftleitung 11 sowie eine Redundanz geschaffen werden.
Aber auch für die Belüftungssysteme Q2, Q3 des Tanksystems 30 und/oder des Stacks kann zum Belüften eine Entkoppelung vom Kathodenpfad 10 sowie eine Redundanz geschaffen werden.
Die Figur 2 zeigt schematisch ein mögliches Verfahren im Sinne der Erfindung zur Diagnose einer Brennstoff- Leckage und/oder eines Brennstoff- Massenstroms in einem Brennstoffzellensystem 100 für ein Fahrzeug 1, welches wie oben beschrieben ausgeführt sein kann.
Das Verfahren kann mindestens einen folgenden Schritt aufweisen:
D4) Überwachen von Messwerten des Brennstoffsensors S im laufenden Betrieb („normal operation“) des Brennstoffzellensystems 100.
Die Diagnose im Schritt D4) kann der Messwert oder die Messwerte oder das Messsignal des Brennstoffsensors S mit einem Schwellenwert oder mit mehreren Schwellenwerten verglichen werden. Der Messwert oder die Messwerte oder das Messsignal des Brennstoffsensors S kann vorteilhafterweise über die Zeit ausgewertet werden, um Brennstoffgehalt-Anstiege und die Leckagen frühzeitig erkennen zu können. Liegt der Messwert oder die Messwerte oder das Messsignal des Brennstoffsensors ausreichend niedrig, so ist keine oder je nach Schwellenwert zunächst keine genauere Diagnose notwendig. Liegen die Werte jedoch über einer applizierbaren Grenze, so können weiteren Diagnosen Dl), D2), D3) durchgeführt werden.
Eine niedrige Grenze bzw. ein erster Schwellenwert, die bzw. der im Schritt D4) nicht überschritten wird, kann ein Zeichen für „Alles in Ordnung“ sein. Ab der niedrigen Grenze aufwärts kann bspw. ein überprüfendes Handeln eingeleitet werden, wie z. B. frequenteres Ablesen des Brennstoffzellensensors S im Schritt D4), Beobachten des Brennstoffgehaltanstiegs und/oder Einleiten weiterer Diagnosen Dl), D2), D3). Eine höhere Grenze bzw. ein zweiter Schwellenwert kann bspw. ein warnendes Handeln nach sich ziehen, wie z. B. Auffordern des Fahrers zum Anhalten des Fahrzeuges 1, Auffordern der Fahrzeuginsassen, das Fahrzeug 1 zu verlassen, Warnen der anderen Verkehrsteilnehmer usw.
Ebenfalls kann es vorteilhaft sein, den Benutzer des Fahrzeuges 1 über die Ergebnisse des erfindungsgemäßen Verfahrens zu informieren, bspw. über eine Anzeigeeinheit, z. B. in einem Armaturenbrett des Fahrzeuges 1, in einem Head- up-Display oÄ.
Ab einem gewissen Schwellenwert können folgende Schritte eingeleitet werden:
Dl) Betreiben des Purge- und/oder Drainsystems Ql, wobei das Stack- Belüftungssystem Q2 und das Tank-Belüftungssystem Q3 inaktiv (d. h. deaktiviert oder nicht im Betrieb) sind,
D2) Betreiben des Stack- Belüftungssystems, wobei das Purge- und/oder Drainsystem und das Tank- Belüftungssystem inaktiv sind, und/oder D3) Betreiben des Tank-Belüftungssystems, wobei das Purge- und/oder Drainsystem und das Stack-Belüftungssystem inaktiv sind.
Die Schritte Dl), D2) und/oder D3) können ebenfalls periodisch durchgeführt werden. Somit kann die Detektion ermöglicht werden, aus welcher Quelle die Brennstoff- Leckage bzw. der Brennstoff- Massenstrom stammt.
Dazu werden die jeweiligen Pfade Ql, Q2, Q3 der möglichen Quellen derart geschaltet, dass kurzzeitig nur eine mögliche Quelle für eine Brennstoff- Leckage bzw. Brennstoff- Massenstrom detektiert wird. Zwischen den Schritten Dl), D2) und D3) können bestimmte Wartezeiten und/oder Mittelungen, Empfehlungen an den Benutzer des Fahrzeuges 1 eingerichtet werden.
Zudem ist es denkbar, dass die Messwerte in den Schritten Dl) bis D4) untereinander, mit einander oder auch in Kombination miteinander verglichen werden, um die Ergebnisse des Verfahrens zu plausibilisieren (bspw. Wert in D4 = Wert in D2+Wert in D3?)
Zudem kann das Verfahren mindestens einen der folgenden Schritte aufweisen:
D5) Überwachen von Messwerten des Brennstoffsensors S in einem unbelüfteten Betrieb („all closed“) des Brennstoffzellensystems 100, wobei das Purge- und/oder Drainsystem Ql, das Stack- Belüftungssystem Q2 und das Tank-Belüftungssystem Q3 alle ausgeschaltet sind. Somit kann der Brennstoffsensor S1 geeicht bzw. kalibriert werden. Auch kann somit eine Offen/Zu- Diagnose eines Purge-Ventils PVD durchgeführt werden.
Außerdem kann die Erfindung vorsehen, dass das Verfahren mindestens einen der folgenden Schritte aufweist:
D6) Überwachen von Messwerten des Brennstoffsensors S in einem voll belüfteten Betrieb („all open“) des Brennstoffzellensystems 100, wobei das Purge- und/oder Drainsystem Ql, das Stack-Belüftungssystem Q2 und das Tank-Belüftungssystem Q3 ausgeschaltet sind. Dieser Schritt D6) kann bspw. beim Abstellen des Fahrzeuges 1 oder kurz vor dem Starten des Fahrzeuges 1 durchgeführt werden, um bspw. schnell zu überprüfen, ob alles in Ordnung ist, und/oder um eine Referenzmessung für die Schritte Dl), D2) und/oder D3) zu erhalten.
Zudem ist es denkbar, dass die Messwerte in den Schritten Dl) bis D6) untereinander, mit einander oder auch in Kombination miteinander verglichen werden, um die Ergebnisse des Verfahrens zu plausibilisieren (bspw. Wert in D6 = Wert in Dl?) Vorteilhafterweise ist es im Rahmen der Erfindung möglich, dass die Ergebnisse der Schritte Dl), D2), D3), D4), D5) und/oder D6) in einem Speicher des Brennstoffzellensystems 101 oder in einem Online-Speicher aufgezeichnet werden.
Ferner ist es denkbar, dass die Ergebnisse der Schritte Dl), D2), D3), D4), D5) und/oder D6) über eine Lebenszeit des Brennstoffzellensystems 100 oder über ein Belastungsprofil, insbesondere nach einem Tankwechsel, Tankbefüllen, nach einem Druckwechsel, nach einem Temperaturwechsel, nach einer bestimmten Anzahl von Start/Stopps, nach bestimmten erbrachten Leistungen (mehrere Schwellenwerte, bspw. für Kilometerstand des Fahrzeuges 1 oder für Kilowatt Elektroleistung des Brennstoffzellensystems 100, sind dabei möglich), bei jedem langfristigen Parken des Fahrzeuges 1, bspw. über Nacht oder auf einem Flughafen- Parkplatz etc., in einem Steuergerät des Brennstoffzellensystems 100 oder in einem Online-Server ausgewertet werden.
Vorteilhafterweise kann das mindestens eine oder mehrere Brennstoffzellensysteme 100 gemäß einem oben beschriebenen Verfahren überwacht werden, um die Alterung des mindestens einen oder mehrerer Brennstoffzellensysteme 100 auszuwerten bzw. ein Fahrzeug oder eine Fahrzeugflotte zu überwachen.
Ein Fahrzeug 1 mit einem entsprechenden Brennstoffzellensystem 100 stellt ebenfalls einen Aspekt der Erfindung dar.
Die voranstehende Beschreibung der Figuren beschreibt die vorliegende Erfindung ausschließlich im Rahmen von Beispielen. Selbstverständlich können einzelne Merkmale der Ausführungsformen, sofern es technisch sinnvoll ist, frei miteinander kombiniert werden, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.

Claims

Ansprüche
1. Brennstoffzellensystem (100), aufweisend: mindestens eine Brennstoffzelle (101), welche mit einem Stack- Belüftungssystem (Q2) ausgeführt ist, einen Kathodenpfad (10) zum Bereitstellen eines sauerstoffhaltigen Reaktanten an die mindestens eine Brennstoffzelle (101), wobei der Kathodenpfad (10) eine Zuluftleitung (11) zum Bereitstellen einer Zuluft zu der mindestens einen Brennstoffzelle (101) und eine Abluftleitung (12) zum Abführen einer Abluft von der mindestens einen Brennstoffzelle (101) aufweist, einen Anodenpfad (20) zum Bereitstellen eines brennstoff haltigen Reaktanten an die mindestens eine Brennstoffzelle (101), wobei der Anodenpfad (20) ein Purge- und/oder Drainsystem (Ql) zum Spülen des Anodenpfades (20) und/oder zum Abführen von einem Produktwasser aus dem Anodenpfad (20) aufweist, und ein Tanksystem (30) mit mindestens einem Tank (T) für den brennstoff haltigen Reaktanten, welches mit einem Tank-Belüftungssystem (Q3) ausgeführt ist, wobei das Purge- und/oder Drainsystem (Ql) eine Purge- und/oder Drainleitung (LI) aufweist, wobei das Stack-Belüftungssystem (Q2) eine Stack- Entlüftungsleitung (L2) aufweist, wobei das Tank-Belüftungssystem (Q3) eine Tank-Entlüftungsleitung (L3) aufweist, wobei stromabwärts in der Abluftleitung (12) des Kathoden pfades (10) ein Brennstoffsensor (S) vorgesehen ist, und wobei die Purge- und/oder Drainleitung (LI), die Stack- Entlüftungsleitung (L2) und/oder die Tank-Entlüftungsleitung (L3) in die Abluftleitung (12) des Kathodenpfades (10) vor dem Brennstoffsensor (S) münden. Brennstoffzellensystem (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Stack-Belüftungssystem (Q2) und/oder das Tank- Belüftungssystem (Q3) mindestens eine Belüftungsleitung (Al, A2, A3) aufweisen. Brennstoffzellensystem (100) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Belüftungsleitung (Al, A2, A3) an die Zuluftleitung (11) des Kathodenpfades (10) angeschlossen ist, um die Zuluft aus der Zuluftleitung (11) des Kathodenpfades (10) zum Belüften der mindestens einen Brennstoffzelle (101), zum Spülen des Anodenpfades (20) und/oder zum Belüften des Tanksystems (30) bereitzustellen. Brennstoffzellensystem (100) nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Belüftungsleitung (Al, A2, A3) an ein Frischluftgebläse (IN) eines Fahrzeuginnenraums angeschlossen ist, um eine Frischluft und/oder eine Kabinenluft zum Belüften der mindestens einen Brennstoffzelle (101), zum Verdünnen eines Purgegases aus dem Anodenpfad (20) und/oder zum Belüften des Tanksystems (30) bereitzustellen, und/oder dass die mindestens eine Belüftungsleitung (Al, A2, A3) an ein separates Belüftungsgebläse (BG) angeschlossen ist, um eine frische Luft zum Belüften der mindestens einen Brennstoffzelle (101), zum Verdünnen eines Purgegases aus dem Anodenpfad (20) und/oder zum Belüften des Tanksystems (30) bereitzustellen. Verfahren zur Diagnose einer Brennstoff- Leckage und/oder zum Überprüfen eines Brennstoff- Massenstroms mithilfe eines Brennstoffzellensystems (100) für ein Fahrzeug (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren mindestens einen folgenden Schritt aufweist:
D4) Überwachen von Messwerten des Brennstoffsensors (S) im laufenden Betrieb des Brennstoffzellensystems (100). Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Schritt D4) das Stack- Belüftungssystem (Q2) und das Tank- Belüftungssystem (Q3) aktiv sind, wobei das Purge- und/oder Drainsystem (Ql) inaktiv ist, und/oder dass im Schritt D4) mindestens ein oder mehrere Schwellenwerte für eine Brennstoff- Konzentration überwacht werden, und/oder dass der Schritt D4) periodisch durchgeführt wird. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren mindestens einen der folgenden Schritte aufweist: Dl) Betreiben des Purge- und/oder Drainsystems (Ql), wobei das Stack- Belüftungssystem (Q2) und das Tank- Belüftungssystem (Q3) inaktiv sind, und/oder D2) Betreiben des Stack- Belüftungssystems (Q2), wobei das Purge- und/oder Drainsystem (Ql) und das Tank-Belüftungssystem (Q3) inaktiv sind, und/oder D3) Betreiben des Tank- Belüftungssystems (Q3), wobei das Purge- und/oder Drainsystem (Ql) und das Stack- Belüftungssystem (Q2) inaktiv sind. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren mindestens einen der folgenden Schritte aufweist: D5) Überwachen von Messwerten des Brennstoffsensors (S) in einem unbelüfteten Betrieb des Brennstoffzellensystems (100), wobei das Purge- und/oder Drainsystem (Ql), das Stack- Belüftungssystem (Q2) und das Tank- Belüftungssystem (Q3) inaktiv sind. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren mindestens einen der folgenden Schritte aufweist:
D6) Überwachen von Messwerten des Brennstoffsensors (S) in einem voll belüfteten Betrieb des Brennstoffzellensystems (100), wobei das Purge- und/oder Drainsystem (Ql), das Stack- Belüftungssystem (Q2) und das Tank- Belüftungssystem (Q3) aktiv sind. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ergebnisse der Schritte Dl), D2), D3), D4), D5) und/oder D6) in einem Speicher des Brennstoffzellensystems (100) oder in einem Online- Speicher aufgezeichnet werden, und/oder dass die Ergebnisse der Schritte Dl), D2), D3), D4), D5) und/oder D6) über eine Lebenszeit des Brennstoffzellensystems (100) oder über ein Belastungsprofil in einem Steuergerät des Brennstoffzellensystems (100) oder in einem Online-Server ausgewertet werden, und/oder dass das mindestens eine oder mehrere Brennstoffzellensysteme (100) gemäß einem Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche überwacht werden, um die Alterung des mindestens einen oder mehrerer Brennstoffzellensysteme (100) auszuwerten. Fahrzeug (1) mit einem Brennstoffzellensystem (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
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