WO2022207176A1 - Diagnostic module, fuel cell system having a diagnostic module, and use of the diagnostic module in a fuel cell system - Google Patents

Diagnostic module, fuel cell system having a diagnostic module, and use of the diagnostic module in a fuel cell system Download PDF

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WO2022207176A1
WO2022207176A1 PCT/EP2022/053759 EP2022053759W WO2022207176A1 WO 2022207176 A1 WO2022207176 A1 WO 2022207176A1 EP 2022053759 W EP2022053759 W EP 2022053759W WO 2022207176 A1 WO2022207176 A1 WO 2022207176A1
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WO
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diagnostic module
fuel cell
housing
cell system
hydrogen
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PCT/EP2022/053759
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Jochen Glasbrenner
Andreas Beiter
Otto Mueller
Andreas Raichle
Martin Katz
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Robert Bosch Gmbh
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    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/24—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells
    • H01M8/2465—Details of groupings of fuel cells
    • H01M8/247—Arrangements for tightening a stack, for accommodation of a stack in a tank or for assembling different tanks
    • H01M8/2475—Enclosures, casings or containers of fuel cell stacks
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
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    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
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    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
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    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Definitions

  • Diagnostic module fuel cell system with diagnostic module and use of the diagnostic module in a fuel cell system
  • the invention relates to a diagnostic module for a fuel cell system for monitoring a sealing point formed in the fuel cell system, which separates a hydrogen-carrying area from an air volume.
  • the invention relates to a fuel cell system with a diagnostic module according to the invention and the use of a diagnostic module according to the invention in a fuel cell system.
  • a fuel cell system comprises at least one fuel cell, which is used to convert hydrogen and oxygen into electrical energy, waste heat and water.
  • the fuel cell has a membrane-electrode assembly (MEA), which can be supplied with hydrogen via an anode path and with oxygen via a cathode path.
  • MEA membrane-electrode assembly
  • the hydrogen is usually stored in a suitable tank.
  • Ambient air can serve as the oxygen supplier.
  • the path from the tank to the individual fuel cells forms a hydrogen-carrying area which is separated from the environment by a large number of sealing points and which also extends to the area for transporting away depleted anode gas. Because this also contains Hydrogen. Since hydrogen can form an explosive gas mixture with the oxygen in the environment, the tightness of the sealing points must be guaranteed. No hydrogen may escape from the hydrogen-carrying area. In mobile applications, ie in a fuel cell vehicle, leaks can occur in particular in the transition areas between the chassis of the vehicle and the fuel cell stack or fuel cell module, which is usually freely suspended. Interfaces between components of the fuel cell system that move relative to one another are also particularly at risk.
  • the present invention is therefore concerned with the task of creating a possibility for monitoring a sealing point in a fuel cell system in order to detect a leak and/or a critical state as early as possible and, if necessary, to initiate countermeasures. In this way, the safety in the operation of a fuel cell system should be increased.
  • the diagnostic module with the features of claim 1 and the fuel cell system with the features of claim 7 are proposed.
  • Advantageous developments of the invention can be found in the respective dependent claims.
  • a preferred use of the diagnostic module is specified.
  • the diagnostic module proposed for a fuel cell system for monitoring a sealing point separating a hydrogen-carrying area from an air volume comprises a housing delimiting the air volume and an air quality sensor and evaluation electronics which are accommodated in the housing.
  • the air quality sensor in the housing records the changed gas composition in the air volume and sends a corresponding signal to the evaluation electronics.
  • the air quality sensor is advantageously designed to detect at least one gas, preferably hydrogen. Further the air quality sensor can be designed to detect the concentration of a specific gas, in particular hydrogen.
  • the housing of the diagnostic module has at least one leak for connecting the air volume inside the housing to an air volume outside the housing.
  • the at least one leak is intended to prevent an excessive hydrogen concentration in the air volume within the housing and thus the formation of an explosive gas mixture.
  • the housing can have an opening through which hydrogen present in the housing can evaporate.
  • the at least one leak can—alternatively or additionally—be provided in a connection area of the housing to the fuel cell system. This configuration is particularly easy to implement.
  • the air volume beyond the at least one leak should be sufficiently large, at least larger than the air volume present in the housing.
  • the hydrogen can preferably evaporate into the environment via the at least one leak, so that it is sufficiently diluted by the ambient air.
  • the housing of the diagnostic module preferably has means for detachable attachment to a housing part of the fuel cell system.
  • the means for detachable attachment can include an internal or external thread that enables a screw connection to a housing part of the fuel cell system.
  • a thread of opposite design is preferably provided on the housing part of the Fuel cell system provided.
  • the thread of opposite design can also be provided on a separate component, which for this purpose is firmly connected to the housing part of the fuel cell system.
  • the means for detachable attachment can—alternatively or additionally—comprise clamping and/or latching means, so that, for example, the housing can simply be clipped onto the housing part of the fuel cell system.
  • the evaluation electronics can have electrical connections which are routed to the outside through the housing of the diagnostic module.
  • the diagnostic module can then be connected to an external battery or to another suitable power source, for example to an on-board network of the vehicle, via the electrical connections.
  • a battery can be arranged in or on the housing. If the power supply is provided by the internal battery, there is no need to connect to an external battery.
  • the external battery can also serve as a buffer. If a connection to an external battery or power supply is not provided, it may also be possible to dispense with the electrical connections of the evaluation electronics.
  • a communication interface for wireless communication is provided in or on the housing of the diagnostic module, for example in the form of a chip for near-field communication (NFC).
  • the chip can be arranged on the evaluation electronics. Data can then be exchanged between the evaluation electronics and a display device and/or a central data collection point via the wireless communication interface. If no communication interface is provided for wireless communication, data can be exchanged via the electrical connections of the evaluation electronics.
  • the additionally proposed fuel cell system is characterized in that it includes a diagnostic module according to the invention. This is arranged in the area of a sealing point that separates a hydrogen-carrying area of the fuel cell system from an air volume that is formed within a housing of the diagnostic module. If, due to a leak in the sealing point, hydrogen escapes from the hydrogen-carrying area into the volume of air enclosed by the housing of the diagnostic module, the leak is detected by the air quality sensor of the diagnostic module accommodated in the housing. Leaks can thus be detected and remedied at an early stage.
  • the diagnostic module can be arranged at any sealing point within the fuel cell system.
  • the component can be arranged in the area of a component leading out of a housing part of the fuel cell system in order to monitor the tightness of a sealing point formed between the housing part and the component.
  • the component can also be guided through the housing of the diagnostic module.
  • a gap is formed between the housing of the diagnostic module and the component, preferably in the area of the lead-through, which forms a defined leak point. This can then be used to connect the air volume inside the housing to an air volume outside the housing.
  • the housing of the diagnostic module is detachably attached to a housing part of the fuel cell system.
  • the air quality sensor accommodated in the housing and/or the evaluation electronics can be easily replaced in the event of a defect.
  • the detachable attachment can be produced, for example, via a screw, plug, press, clamp and/or snap-in connection.
  • the diagnosis module is connected to a battery and/or a control unit of the fuel cell system.
  • the diagnostic module can be supplied with power via the battery.
  • the battery can also only serve as a buffer if the diagnostic module is equipped with its own battery. If the latter is the case, the connection to a battery of the fuel cell system can also be dispensed with.
  • the diagnosis module can be monitored via the alternatively or additionally proposed connection to a control unit of the fuel cell system.
  • the data recorded by the diagnostic module can be sent to the control unit for evaluation.
  • the actual evaluation of the signals from the air quality sensor then takes place in the control unit.
  • the signals from the air quality sensor can be pre-processed with the help of the interposed evaluation electronics.
  • a diagnostic module according to the invention in a fuel cell system for monitoring a sealing point separating a hydrogen-carrying area from an air volume is also proposed.
  • the diagnostic module increases safety when operating a fuel cell system.
  • the early detection of defective sealing points in a fuel cell system also helps to reduce the hydrogen consumption in a fuel cell system and the pollution of the environment with hydrogen.
  • This shows a schematic longitudinal section through a diagnostic module according to the invention integrated into a fuel cell system.
  • the diagnostic module 1 shown as an example in the figure comprises a housing 5 which is arranged on a housing part 10 of a fuel cell system in the area of a sealing point 4 .
  • the housing 5 encloses an air volume 3 which is separated from a hydrogen-carrying area 2 beyond the sealing point 4 by the sealing point 4 .
  • a component 12 is guided outwards through the housing part 10 via the sealing point 4 .
  • the sealing point 4 accordingly seals a gap 13 between the housing part 10 and the component 12 .
  • a sealing element 14 is arranged in the gap 13, which in the present case is annular.
  • An air quality sensor 6 and evaluation electronics 7 are accommodated in the housing 5 of the diagnostic module 1 .
  • the evaluation electronics 7 have electrical connections 11, via which the power supply and/or the data exchange takes place.
  • the power supply can also be implemented via a battery (not shown) accommodated in the housing 5 .
  • a communication interface for wireless communication (not shown) can also be provided for data transmission, for example in the form of a chip for near-field communication (NFC).
  • the electrical connections 11 could then possibly be dispensed with.
  • the air quality sensor 6 is designed to, in the event of an escape of hydrogen from the hydrogen-bearing area 2 via the sealing point 4 into the Air volume 3 to detect this and emit a corresponding signal to the evaluation electronics 7. In this way, a leak in the sealing point 4 can be detected and remedied. Furthermore, the sensitivity of the air quality sensor 6 can be set in such a way that even creeping leaks are detected, so that they are detected at an early stage.
  • the housing 5 of the diagnostic module 1 Since hydrogen penetrating into the air volume 3 of the housing 5 can lead to the formation of an explosive gas mixture, the housing 5 of the diagnostic module 1 has a leak 8, via which the air volume 3 inside the housing 5 is connected to an air volume 9 outside the housing 5. In this way, hydrogen can escape from the housing 5 so that the risk of explosion is averted.

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Abstract

The invention relates to a diagnostic module (1) for a fuel cell system to monitor a sealing point (4) that separates a hydrogen-conducting area (2) from a volume of air (3), the diagnostic module (1) comprising a housing (5) that delimits the volume of air (3), as well as an air quality sensor (6) and evaluation electronics (7) that are accommodated in the housing (5). The invention further relates to a fuel cell system and to the use of a diagnostic module (1) in a fuel cell system.

Description

Beschreibung description
Diagnosemodul, Brennstoffzellensystem mit Diagnosemodul sowie Verwendung des Diagnosemoduls in einem Brennstoffzellensystem Diagnostic module, fuel cell system with diagnostic module and use of the diagnostic module in a fuel cell system
Die Erfindung betrifft ein Diagnosemodul für ein Brennstoffzellensystem zur Überwachung einer im Brennstoffzellensystem ausgebildeten Dichtstelle, die einen wasserstoffführenden Bereich von einem Luftvolumen trennt. Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Brennstoffzellensystem mit einem erfindungsgemäßen Diagnosemodul sowie die Verwendung eines erfindungsgemäßen Diagnosemoduls in einem Brennstoffzellensystem. The invention relates to a diagnostic module for a fuel cell system for monitoring a sealing point formed in the fuel cell system, which separates a hydrogen-carrying area from an air volume. In addition, the invention relates to a fuel cell system with a diagnostic module according to the invention and the use of a diagnostic module according to the invention in a fuel cell system.
Stand der Technik State of the art
Ein Brennstoffzellensystem umfasst mindestens eine Brennstoffzelle, mit deren Hilfe Wasserstoff und Sauerstoff in elektrische Energie, Abwärme und Wasser gewandelt werden. Die Brennstoffzelle weist hierzu eine Membran- Elektroden- Anordnung (MEA) auf, die über einen Anodenpfad mit Wasserstoff und einen Kathodenpfad mit Sauerstoff versorgbar ist. Der Wasserstoff wir in der Regel in einem geeigneten Tank bevorratet. Als Sauerstofflieferant kann Umgebungsluft dienen. A fuel cell system comprises at least one fuel cell, which is used to convert hydrogen and oxygen into electrical energy, waste heat and water. For this purpose, the fuel cell has a membrane-electrode assembly (MEA), which can be supplied with hydrogen via an anode path and with oxygen via a cathode path. The hydrogen is usually stored in a suitable tank. Ambient air can serve as the oxygen supplier.
Zur Leistungssteigerung werden in der Regel mehrere Brennstoffzellen zu einem Brennstoffzellenstapel oder „Stack“ angeordnet, der zur Versorgung mit den benötigten Reaktionsgasen von Versorgungskanälen durchzogen ist. Weitere den Brennstoffzellenstapel durchsetzende Kanäle dienen dem Anschluss an einen Kühlkreis sowie dem Abtransport von Wasser und abgereicherter Reaktionsgase. To increase performance, several fuel cells are usually arranged in a fuel cell stack or "stack", which is traversed by supply channels for the supply of the required reaction gases. Additional channels penetrating the fuel cell stack serve to connect to a cooling circuit and to transport away water and depleted reaction gases.
Der Weg vom Tank zu den einzelnen Brennstoffzellen bildet einen durch eine Vielzahl von Dichtstellen von der Umgebung getrennten wasserstoffführenden Bereich aus, der sich darüber hinaus auf den Bereich zum Abtransport von abgereichertem Anodengas erstreckt. Denn auch dieses enthält noch Wasserstoff. Da Wasserstoff mit dem Sauerstoff der Umgebung ein explosives Gasgemisch bilden kann, muss die Dichtheit der Dichtstellen gewährleistet sein. Es darf kein Wasserstoff aus dem wasserstoffführenden Bereich austreten. In mobilen Anwendungen, das heißt in einem Brennstoffzellen- Fahrzeug, können Undichtigkeiten insbesondere in Übergangsbereichen zwischen dem Chassis des Fahrzeugs und dem in der Regel frei aufgehängten Brennstoffzellenstapel bzw. Brennstoffzellenmodul auftreten. Besonders gefährdet sind zudem Schnittstellen zwischen relativ zueinander bewegten Bauteilen des Brennstoffzellensystems. The path from the tank to the individual fuel cells forms a hydrogen-carrying area which is separated from the environment by a large number of sealing points and which also extends to the area for transporting away depleted anode gas. Because this also contains Hydrogen. Since hydrogen can form an explosive gas mixture with the oxygen in the environment, the tightness of the sealing points must be guaranteed. No hydrogen may escape from the hydrogen-carrying area. In mobile applications, ie in a fuel cell vehicle, leaks can occur in particular in the transition areas between the chassis of the vehicle and the fuel cell stack or fuel cell module, which is usually freely suspended. Interfaces between components of the fuel cell system that move relative to one another are also particularly at risk.
Die vorliegende Erfindung ist daher mit der Aufgabe befasst, eine Möglichkeit zur Überwachung einer Dichtstelle in einem Brennstoffzellensystem zu schaffen, um eine Undichtigkeit und/oder einen kritischen Zustand möglichst frühzeitig zu detektieren und ggf. Gegenmaßnahmen einzuleiten. Auf diese Weise soll die Sicherheit im Betrieb eines Brennstoffzellensystems erhöht werden. The present invention is therefore concerned with the task of creating a possibility for monitoring a sealing point in a fuel cell system in order to detect a leak and/or a critical state as early as possible and, if necessary, to initiate countermeasures. In this way, the safety in the operation of a fuel cell system should be increased.
Zur Lösung der Aufgabe werden das Diagnosemodul mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie das Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen des Anspruchs 7 vorgeschlagen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den jeweiligen Unteransprüchen zu entnehmen. Darüber hinaus wird eine bevorzugte Verwendung des Diagnosemoduls angegeben. To solve the problem, the diagnostic module with the features of claim 1 and the fuel cell system with the features of claim 7 are proposed. Advantageous developments of the invention can be found in the respective dependent claims. In addition, a preferred use of the diagnostic module is specified.
Offenbarung der Erfindung Disclosure of Invention
Das für ein Brennstoffzellensystem vorgeschlagene Diagnosemodul zur Überwachung einer einen wasserstoffführenden Bereich von einem Luftvolumen trennenden Dichtstelle umfasst ein das Luftvolumen begrenzendes Gehäuse sowie einen Luftgütesensor und eine Auswerteelektronik, die im Gehäuse aufgenommen sind. The diagnostic module proposed for a fuel cell system for monitoring a sealing point separating a hydrogen-carrying area from an air volume comprises a housing delimiting the air volume and an air quality sensor and evaluation electronics which are accommodated in the housing.
Sofern die Dichtstelle eine Undichtigkeit aufweist und Wasserstoff über die Dichtstelle aus dem wasserstoffführenden Bereich nach außen dringt, sammelt sich dieser in dem von dem Gehäuse umschlossenen Luftvolumen. Der im Gehäuse aufgenommene Luftgütesensor erfasst die veränderte Gaszusammensetzung im Luftvolumen und gibt ein entsprechendes Signal an die Auswerteelektronik ab. Vorteilhafterweise ist der Luftgütesensor dazu ausgelegt, mindestens ein Gas, vorzugsweise Wasserstoff, zu erkennen. Ferner kann der Luftgütesensor dazu ausgelegt sein, die Konzentration eines bestimmten Gases, insbesondere von Wasserstoff, zu erkennen. If the sealing point has a leak and hydrogen escapes from the hydrogen-carrying area to the outside via the sealing point, this collects in the air volume enclosed by the housing. The air quality sensor in the housing records the changed gas composition in the air volume and sends a corresponding signal to the evaluation electronics. The air quality sensor is advantageously designed to detect at least one gas, preferably hydrogen. Further the air quality sensor can be designed to detect the concentration of a specific gas, in particular hydrogen.
Abhängig von der Ausgestaltung und/oder Sensibilität des Luftgütesensors können selbst schleichende Undichtigkeiten frühzeitig erkannt werden. Auf diese Weise können prädiktive Diagnosen erstellt werden, welche die Aufstellung eines Wartungsplans ermöglichen. Die fehlerhafte Dichtung kann dann bei der nächsten Wartung ausgetauscht werden. Depending on the configuration and/or sensitivity of the air quality sensor, even gradual leaks can be detected at an early stage. In this way, predictive diagnostics can be created, which enable the creation of a maintenance plan. The faulty seal can then be replaced at the next service.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist das Gehäuse des Diagnosemoduls mindestens eine Undichtstelle zur Verbindung des Luftvolumens innerhalb des Gehäuses mit einem Luftvolumen außerhalb des Gehäuses auf. Die mindestens eine Undichtstelle soll eine zu hohe Wasserstoffkonzentration im Luftvolumen innerhalb des Gehäuses und damit die Ausbildung eines explosiven Gasgemischs verhindern. Das Gehäuse kann zur Ausbildung der mindestens einen Undichtstelle eine Öffnung aufweisen, durch welche sich im Gehäuse vorhandener Wasserstoff verflüchtigen kann. Die mindestens eine Undichtstelle kann - alternativ oder ergänzend - in einem Anschlussbereich des Gehäuses an das Brennstoffzellensystem vorgesehen sein. Diese Ausgestaltung ist besonders einfach zu realisieren. According to a preferred embodiment of the invention, the housing of the diagnostic module has at least one leak for connecting the air volume inside the housing to an air volume outside the housing. The at least one leak is intended to prevent an excessive hydrogen concentration in the air volume within the housing and thus the formation of an explosive gas mixture. To form the at least one leak, the housing can have an opening through which hydrogen present in the housing can evaporate. The at least one leak can—alternatively or additionally—be provided in a connection area of the housing to the fuel cell system. This configuration is particularly easy to implement.
Damit die Ausbildung eines explosiven Gasgemischs sicher verhindert wird, sollte das jenseits der mindestens einen Undichtstelle liegende Luftvolumen ausreichend groß sein, zumindest größer als das im Gehäuse vorhandene Luftvolumen. Vorzugsweise kann sich der Wasserstoff über die mindestens eine Undichtstelle in die Umgebung verflüchtigen, so dass er durch die Umgebungsluft ausreichend verdünnt wird. So that the formation of an explosive gas mixture is reliably prevented, the air volume beyond the at least one leak should be sufficiently large, at least larger than the air volume present in the housing. The hydrogen can preferably evaporate into the environment via the at least one leak, so that it is sufficiently diluted by the ambient air.
Bevorzugt weist das Gehäuse des Diagnosemoduls Mittel zur lösbaren Befestigung an einem Gehäuseteil des Brennstoffzellensystems auf. Dies ermöglicht ein Nachrüsten eines Brennstoffzellensystems mit einem erfindungsgemäßen Diagnosemodul. Ferner kann bzw. können der Luftgütesensor und/oder die Auswerteelektronik im Falle eines Defekts einfacher ausgetauscht werden. Die Mittel zur lösbaren Befestigung können ein Innen oder Außengewinde umfassen, das eine Schraubverbindung mit einem Gehäuseteil des Brennstoffzellensystems ermöglicht. In diesem Fall ist vorzugsweise ein gegengleich ausgebildetes Gewinde am Gehäuseteil des Brennstoffzellensystems vorgesehen. Das gegengleich ausgebildete Gewinde kann auch an einem separaten Bauteil vorgesehen sein, das hierzu mit dem Gehäuseteil des Brennstoffzellensystems fest verbunden wird. Die Mittel zur lösbaren Befestigung können - alternativ oder ergänzend - Klemm- und/oder Rastmittel umfassen, so dass beispielsweise das Gehäuse einfach auf das Gehäuseteil des Brennstoffzellensystems geclipst werden kann. The housing of the diagnostic module preferably has means for detachable attachment to a housing part of the fuel cell system. This allows a fuel cell system to be retrofitted with a diagnostic module according to the invention. Furthermore, the air quality sensor and/or the evaluation electronics can be replaced more easily in the event of a defect. The means for detachable attachment can include an internal or external thread that enables a screw connection to a housing part of the fuel cell system. In this case, a thread of opposite design is preferably provided on the housing part of the Fuel cell system provided. The thread of opposite design can also be provided on a separate component, which for this purpose is firmly connected to the housing part of the fuel cell system. The means for detachable attachment can—alternatively or additionally—comprise clamping and/or latching means, so that, for example, the housing can simply be clipped onto the housing part of the fuel cell system.
Zur Stromversorgung des Diagnosemoduls kann die Auswerteelektronik elektrische Anschlüsse aufweisen, die durch das Gehäuse des Diagnosemoduls nach außen geführt sind. Über die elektrischen Anschlüsse kann dann das Diagnosemodul an eine externe Batterie oder an eine andere geeignete Stromquelle, beispielsweise an ein Bordnetz des Fahrzeugs, angeschlossen sein. In order to supply power to the diagnostic module, the evaluation electronics can have electrical connections which are routed to the outside through the housing of the diagnostic module. The diagnostic module can then be connected to an external battery or to another suitable power source, for example to an on-board network of the vehicle, via the electrical connections.
Alternativ oder ergänzend kann im oder am Gehäuse eine Batterie angeordnet sein. Ist die Stromversorgung über die interne Batterie sichergestellt, ist ein Anschluss an eine externe Batterie entbehrlich. Die externe Batterie kann aber auch als Puffer dienen. Sofern ein Anschluss an eine externe Batterie oder Stromversorgung nicht vorgesehen ist, kann ggf. auch auf die elektrischen Anschlüsse der Auswerteelektronik verzichtet werden. Alternatively or additionally, a battery can be arranged in or on the housing. If the power supply is provided by the internal battery, there is no need to connect to an external battery. The external battery can also serve as a buffer. If a connection to an external battery or power supply is not provided, it may also be possible to dispense with the electrical connections of the evaluation electronics.
Dies ist insbesondere der Fall, wenn im oder am Gehäuse des Diagnosemoduls eine Kommunikationsschnittstelle zur drahtlosen Kommunikation vorgesehen ist, beispielsweise in Form eines Chips für Nahfeldkommunikation (NFC). Der Chip kann auf der Auswerteelektronik angeordnet sein. Über die drahtlose Kommunikationsschnittstelle kann dann der Datenaustausch der Auswerteelektronik mit einer Anzeigeeinrichtung und/oder einer zentralen Datensammelstelle erfolgen. Sofern keine Kommunikationsschnittstelle für die drahtlose Kommunikation vorgesehen ist, kann der Datenaustausch über die elektrischen Anschlüsse der Auswerteelektronik erfolgen. This is particularly the case when a communication interface for wireless communication is provided in or on the housing of the diagnostic module, for example in the form of a chip for near-field communication (NFC). The chip can be arranged on the evaluation electronics. Data can then be exchanged between the evaluation electronics and a display device and/or a central data collection point via the wireless communication interface. If no communication interface is provided for wireless communication, data can be exchanged via the electrical connections of the evaluation electronics.
Das darüber hinaus vorgeschlagene Brennstoffzellensystem zeichnet sich dadurch aus, dass es ein erfindungsgemäßes Diagnosemodul umfasst. Dieses ist im Bereich einer Dichtstelle angeordnet, die einen wasserstoffführenden Bereich des Brennstoffzellensystems von einem Luftvolumen trennt, das innerhalb eines Gehäuses des Diagnosemoduls ausgebildet ist. Gelangt aufgrund einer Undichtigkeit der Dichtstelle Wasserstoff aus dem wasserstoffführenden Bereich in das von dem Gehäuse des Diagnosemoduls umschlossene Luftvolumen, wird die Undichtigkeit von dem im Gehäuse aufgenommenen Luftgütesensor des Diagnosemoduls detektiert. Undichtigkeiten können somit frühzeitig erkannt und behoben werden. Das Diagnosemodul kann an einer beliebigen Dichtstelle innerhalb des Brennstoffzellensystems angeordnet werden. Beispielsweise kann es im Bereich eines aus einem Gehäuseteil des Brennstoffzellensystems herausgeführten Bauteils angeordnet werden, um die Dichtheit einer zwischen dem Gehäuseteil und dem Bauteil ausgebildeten Dichtstelle zu überwachen. Das Bauteil kann dabei auch durch das Gehäuse des Diagnosemoduls geführt sein. In diesem Fall ist vorzugsweise im Bereich der Durchführung ein Spalt zwischen dem Gehäuse des Diagnosemoduls und dem Bauteil ausgebildet, der eine definierte Undichtstelle ausbildet. Über diese kann dann das Luftvolumen innerhalb des Gehäuses mit einem Luftvolumen außerhalb des Gehäuses verbunden werden. The additionally proposed fuel cell system is characterized in that it includes a diagnostic module according to the invention. This is arranged in the area of a sealing point that separates a hydrogen-carrying area of the fuel cell system from an air volume that is formed within a housing of the diagnostic module. If, due to a leak in the sealing point, hydrogen escapes from the hydrogen-carrying area into the volume of air enclosed by the housing of the diagnostic module, the leak is detected by the air quality sensor of the diagnostic module accommodated in the housing. Leaks can thus be detected and remedied at an early stage. The diagnostic module can be arranged at any sealing point within the fuel cell system. For example, it can be arranged in the area of a component leading out of a housing part of the fuel cell system in order to monitor the tightness of a sealing point formed between the housing part and the component. The component can also be guided through the housing of the diagnostic module. In this case, a gap is formed between the housing of the diagnostic module and the component, preferably in the area of the lead-through, which forms a defined leak point. This can then be used to connect the air volume inside the housing to an air volume outside the housing.
Vorteilhafterweise ist das Gehäuse des Diagnosemoduls lösbar an einem Gehäuseteil des Brennstoffzellensystems befestigt. Durch Lösen des Gehäuses kann der im Gehäuse aufgenommene Luftgütesensor und/oder die Auswerteelektronik im Falle eines Defekts einfach ausgetauscht werden. Die lösbare Befestigung kann beispielsweise über eine Schraub-, Steck-, Press-, Klemm- und/oder Rastverbindung hergestellt sein. Advantageously, the housing of the diagnostic module is detachably attached to a housing part of the fuel cell system. By detaching the housing, the air quality sensor accommodated in the housing and/or the evaluation electronics can be easily replaced in the event of a defect. The detachable attachment can be produced, for example, via a screw, plug, press, clamp and/or snap-in connection.
Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass das Diagnosemodul mit einer Batterie und/oder einem Steuergerät des Brennstoffzellensystems verbunden ist. Über die Batterie kann das Diagnosemodul mit Strom versorgt werden. Die Batterie kann auch lediglich als Puffer dienen, sofern das Diagnosemodul mit einer eigenen Batterie ausgestattet ist. Ist letzteres der Fall, kann auf die Verbindung mit einer Batterie des Brennstoffzellensystems auch verzichtet werden. Über die alternativ oder ergänzend vorgeschlagene Verbindung mit einem Steuergerät des Brennstoffzellensystems kann das Diagnosemodul überwacht werden. Insbesondere können die vom Diagnosemodul erfassten Daten an das Steuergerät zur Auswertung übersandt werden. Die eigentliche Auswertung der Signale des Luftgütesensors erfolgt dann im Steuergerät. Mit Hilfe der zwischengeschalteten Auswerteelektronik können die Signale des Luftgütesensors vorverarbeitet werden. Zur Lösung der eingangs genannten Aufgabe wird ferner die Verwendung eines erfindungsgemäßen Diagnosemoduls in einem Brennstoffzellensystem zur Überwachung einer einen wasserstoffführenden Bereich von einem Luftvolumen trennenden Dichtstelle vorgeschlagen. Das Diagnosemodul erhöht die Sicherheit im Betrieb eines Brennstoffzellensystems. Die frühzeitige Detektion von fehlerhaften Dichtstellen in einem Brennstoffzellensystem hilft ferner den Wasserstoffverbrauch in einem Brennstoffzellensystem sowie die Verunreinigung der Umwelt mit Wasserstoff zu senken. Furthermore, it is proposed that the diagnosis module is connected to a battery and/or a control unit of the fuel cell system. The diagnostic module can be supplied with power via the battery. The battery can also only serve as a buffer if the diagnostic module is equipped with its own battery. If the latter is the case, the connection to a battery of the fuel cell system can also be dispensed with. The diagnosis module can be monitored via the alternatively or additionally proposed connection to a control unit of the fuel cell system. In particular, the data recorded by the diagnostic module can be sent to the control unit for evaluation. The actual evaluation of the signals from the air quality sensor then takes place in the control unit. The signals from the air quality sensor can be pre-processed with the help of the interposed evaluation electronics. To achieve the object mentioned at the outset, the use of a diagnostic module according to the invention in a fuel cell system for monitoring a sealing point separating a hydrogen-carrying area from an air volume is also proposed. The diagnostic module increases safety when operating a fuel cell system. The early detection of defective sealing points in a fuel cell system also helps to reduce the hydrogen consumption in a fuel cell system and the pollution of the environment with hydrogen.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert. Diese zeigt einen schematischen Längsschnitt durch ein in ein Brennstoffzellensystem integriertes erfindungsgemäßes Diagnosemodul. The invention is explained in more detail below with reference to the attached drawing. This shows a schematic longitudinal section through a diagnostic module according to the invention integrated into a fuel cell system.
Ausführliche Beschreibung der Zeichnung Detailed description of the drawing
Das in der Figur beispielhaft dargestellte erfindungsgemäße Diagnosemodul 1 umfasst ein Gehäuse 5, das an einem Gehäuseteil 10 eines Brennstoffzellensystems im Bereich einer Dichtstelle 4 angeordnet ist. Das Gehäuse 5 umschließt ein Luftvolumen 3 das durch die Dichtstelle 4 von einem wasserstoffführenden Bereich 2 jenseits der Dichtstelle 4 getrennt ist. Über die Dichtstelle 4 ist ein Bauteil 12 durch das Gehäuseteil 10 hindurch nach außen geführt. Die Dichtstelle 4 dichtet demnach einen Spalt 13 zwischen dem Gehäuseteil 10 und dem Bauteil 12 ab. Im Spalt 13 ist hierzu ein Dichtelement 14 angeordnet, das vorliegend ringförmig ausgebildet ist. The diagnostic module 1 according to the invention shown as an example in the figure comprises a housing 5 which is arranged on a housing part 10 of a fuel cell system in the area of a sealing point 4 . The housing 5 encloses an air volume 3 which is separated from a hydrogen-carrying area 2 beyond the sealing point 4 by the sealing point 4 . A component 12 is guided outwards through the housing part 10 via the sealing point 4 . The sealing point 4 accordingly seals a gap 13 between the housing part 10 and the component 12 . For this purpose, a sealing element 14 is arranged in the gap 13, which in the present case is annular.
Im Gehäuse 5 des Diagnosemoduls 1 sind ein Luftgütesensor 6 und eine Auswerteelektronik 7 aufgenommen. Die Auswerteelektronik 7 weist elektrische Anschlüsse 11 auf, über welche die Stromversorgung und/oder der Datenaustausch erfolgt. Alternativ kann die Stromversorgung auch über eine im Gehäuse 5 aufgenommene Batterie (nicht dargestellt) realisiert werden. Zur Datenübertragung kann auch eine Kommunikationsschnittstelle zur drahtlosen Kommunikation (nicht dargestellt) vorgesehen sein, beispielsweise in Form eines Chips für die Nahfeldkommunikation (NFC). Auf die elektrischen Anschlüsse 11 könnte dann ggf. verzichtet werden. An air quality sensor 6 and evaluation electronics 7 are accommodated in the housing 5 of the diagnostic module 1 . The evaluation electronics 7 have electrical connections 11, via which the power supply and/or the data exchange takes place. Alternatively, the power supply can also be implemented via a battery (not shown) accommodated in the housing 5 . A communication interface for wireless communication (not shown) can also be provided for data transmission, for example in the form of a chip for near-field communication (NFC). The electrical connections 11 could then possibly be dispensed with.
Der Luftgütesensor 6 ist dazu ausgelegt, im Falle eines Austritts von Wasserstoff aus dem wasserstoffführenden Bereich 2 über die Dichtstelle 4 in das Luftvolumen 3 diesen zu detektieren und ein entsprechendes Signal an die Auswerteelektronik 7 abzugeben. Auf diese Weise kann eine Undichtigkeit der Dichtstelle 4 erkannt und behoben werden. Ferner kann die Sensibilität des Luftgütesensors 6 derart eingestellt sein, dass selbst schleichende Undichtigkeiten erfasst werden, so dass diese frühzeitig erkannt werden. The air quality sensor 6 is designed to, in the event of an escape of hydrogen from the hydrogen-bearing area 2 via the sealing point 4 into the Air volume 3 to detect this and emit a corresponding signal to the evaluation electronics 7. In this way, a leak in the sealing point 4 can be detected and remedied. Furthermore, the sensitivity of the air quality sensor 6 can be set in such a way that even creeping leaks are detected, so that they are detected at an early stage.
Da in das Luftvolumen 3 des Gehäuses 5 eindringender Wasserstoff zur Ausbildung eines explosiven Gasgemisches führen kann, weist das Gehäuse 5 des Diagnosemoduls 1 eine Undichtstelle 8 auf, über die das Luftvolumen 3 innerhalb des Gehäuses 5 mit einem Luftvolumen 9 außerhalb des Gehäuses 5 verbunden ist. Somit kann sich Wasserstoff aus dem Gehäuse 5 verflüchtigen, so dass die Explosionsgefahr gebannt ist. Since hydrogen penetrating into the air volume 3 of the housing 5 can lead to the formation of an explosive gas mixture, the housing 5 of the diagnostic module 1 has a leak 8, via which the air volume 3 inside the housing 5 is connected to an air volume 9 outside the housing 5. In this way, hydrogen can escape from the housing 5 so that the risk of explosion is averted.

Claims

Ansprüche Expectations
1. Diagnosemodul (1) für ein Brennstoffzellensystem zur Überwachung einer einen wasserstoffführenden Bereich (2) von einem Luftvolumen (3) trennenden Dichtstelle (4), umfassend ein das Luftvolumen (3) begrenzendes Gehäuse (5) sowie einen Luftgütesensor (6) und eine Auswerteelektronik (7), die im Gehäuse (5) aufgenommen sind. 1. Diagnostic module (1) for a fuel cell system for monitoring a sealing point (4) separating a hydrogen-carrying area (2) from an air volume (3), comprising a housing (5) delimiting the air volume (3) and an air quality sensor (6) and a Evaluation electronics (7), which are accommodated in the housing (5).
2. Diagnosemodul (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (5) mindestens eine Undichtstelle (8) zur Verbindung des Luftvolumens (3) innerhalb des Gehäuses (5) mit einem Luftvolumen (9) außerhalb des Gehäuses (5) aufweist, wobei vorzugsweise die Undichtstelle (8) in einem Anschlussbereich des Gehäuses (5) an das Brennstoffzellensystem vorgesehen ist. 2. Diagnostic module (1) according to claim 1, characterized in that the housing (5) has at least one leak (8) for connecting the air volume (3) inside the housing (5) to an air volume (9) outside the housing (5). has, wherein the leak (8) is preferably provided in a connection area of the housing (5) to the fuel cell system.
3. Diagnosemodul (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (5) Mittel zur lösbaren Befestigung an einem Gehäuseteil (10) des Brennstoffzellensystems aufweist, beispielsweise ein Innen- oder Außengewinde, Klemm- und/oder Rastmittel. 3. Diagnostic module (1) according to claim 1 or 2, characterized in that the housing (5) has means for detachable attachment to a housing part (10) of the fuel cell system, for example an internal or external thread, clamping and / or locking means.
4. Diagnosemodul (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteelektronik (7) elektrische Anschlüsse (11) aufweist, die durch das Gehäuse (5) nach außen geführt sind. 4. Diagnostic module (1) according to any one of the preceding claims, characterized in that the evaluation electronics (7) has electrical connections (11) which are guided through the housing (5) to the outside.
5. Diagnosemodul (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im oder am Gehäuse (5) eine Batterie angeordnet ist. 5. Diagnostic module (1) according to one of the preceding claims, characterized in that a battery is arranged in or on the housing (5).
6. Diagnosemodul (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im oder am Gehäuse (5) eine Kommunikationsschnittstelle zur drahtlosen Kommunikation vorgesehen ist, beispielsweise in Form eines Chips für Nahfeldkommunikation (NFC). 6. Diagnostic module (1) according to one of the preceding claims, characterized in that a communication interface for wireless communication is provided in or on the housing (5), for example in the form of a chip for near-field communication (NFC).
7. Brennstoffzellensystem mit einem Diagnosemodul (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Diagnosemodul (1) im Bereich einer Dichtstelle (4) angeordnet ist, die einen wasserstoffführenden Bereich (2) des Brennstoffzellensystems von einem Luftvolumen (3) trennt, das innerhalb eines Gehäuses (5) des Diagnosemoduls (1) ausgebildet ist. 7. Fuel cell system with a diagnostic module (1) according to one of the preceding claims, wherein the diagnostic module (1) is arranged in the area of a sealing point (4) which separates a hydrogen-carrying area (2) of the fuel cell system from an air volume (3) which is inside a housing (5) of the diagnostic module (1) is formed.
8. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 7 dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (5) des Diagnosemoduls (1) lösbar an einem Gehäuseteil (10) des Brennstoffzellensystems befestigt ist. 8. Fuel cell system according to claim 7, characterized in that the housing (5) of the diagnostic module (1) is detachably attached to a housing part (10) of the fuel cell system.
9. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Diagnosemodul (1) mit einer Batterie und/oder einem Steuergerät des Brennstoffzellensystems verbunden ist. 9. Fuel cell system according to claim 7 or 8, characterized in that the diagnostic module (1) is connected to a battery and/or a control unit of the fuel cell system.
10. Verwendung eines Diagnosemoduls (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6 in einem Brennstoffzellensystem zur Überwachung einer einen wasserstoffführenden Bereich (2) von einem Luftvolumen (3) trennenden Dichtstelle (4). 10. Use of a diagnostic module (1) according to one of Claims 1 to 6 in a fuel cell system for monitoring a sealing point (4) separating a hydrogen-carrying region (2) from an air volume (3).
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