WO2023179947A1 - Method and device for detecting a leakage of anode gas in or in the region of at least one fuel cell and fuel cell system comprising a device - Google Patents

Method and device for detecting a leakage of anode gas in or in the region of at least one fuel cell and fuel cell system comprising a device Download PDF

Info

Publication number
WO2023179947A1
WO2023179947A1 PCT/EP2023/052568 EP2023052568W WO2023179947A1 WO 2023179947 A1 WO2023179947 A1 WO 2023179947A1 EP 2023052568 W EP2023052568 W EP 2023052568W WO 2023179947 A1 WO2023179947 A1 WO 2023179947A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
pressure
anode
excitation signal
fuel cell
leakage
Prior art date
Application number
PCT/EP2023/052568
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Tobias FALKENAU
Timo Bosch
Original Assignee
Robert Bosch Gmbh
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch Gmbh filed Critical Robert Bosch Gmbh
Publication of WO2023179947A1 publication Critical patent/WO2023179947A1/en

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
    • H01M8/04664—Failure or abnormal function
    • H01M8/04679—Failure or abnormal function of fuel cell stacks
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
    • H01M8/0438—Pressure; Ambient pressure; Flow
    • H01M8/04388—Pressure; Ambient pressure; Flow of anode reactants at the inlet or inside the fuel cell
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
    • H01M8/0432—Temperature; Ambient temperature
    • H01M8/04328—Temperature; Ambient temperature of anode reactants at the inlet or inside the fuel cell
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
    • H01M8/0444—Concentration; Density
    • H01M8/04447—Concentration; Density of anode reactants at the inlet or inside the fuel cell

Definitions

  • Damage in a fuel cell system is usually detected using voltmetric individual cell voltage monitoring or other sensors such as. B. using a hydrogen sensor in the exhaust gas.
  • the approach presented here presents a method for detecting a leakage of anode gas in or in the area of at least one fuel cell, a device that uses this method, and finally a fuel cell system with a device according to the main claims.
  • the measures listed in the dependent claims make advantageous developments and improvements to the method specified in the independent claim possible.
  • a method for detecting a leakage of anode gas in or in the area of a fuel cell is presented.
  • the method has an output step, a reading step and a determining step.
  • an excitation signal that oscillates around a setpoint is output to an interface to a metering valve for metering hydrogen to the anode, the excitation signal being designed to generate an actual pressure at the anode that oscillates around a setpoint pressure.
  • a pressure signal is read in via an interface to a pressure sensor for detecting the actual pressure at or in the area of the anode.
  • the leakage of anode gas is determined using the actual pressure and/or the excitation signal.
  • This method can be implemented, for example, in software or hardware or in a mixed form of software and hardware, for example in a control device.
  • the fuel cell can have a membrane arranged between the anode and the cathode, for example a so-called “polymer electrolyte membrane”, “PEM” for short.
  • PEM polymer electrolyte membrane
  • the method can also be carried out in connection with a fuel cell system that has a plurality of fuel cells, so-called “stacks”.
  • the anode gas can contain hydrogen, “H2” for short, nitrogen, “N2” for short, and/or water, for example in the form of water vapor, “H2O(g)” for short.
  • the method advantageously makes it possible to detect external and internal leakage in the anode path of the fuel cell.
  • the leak can be caused by a leak on or in the fuel cell.
  • Other components may also be leaking, such as: B. a vent valve/purge valve or drain valve/drain valve of the fuel cell, or an interface to a sensor.
  • the method can also detect leaks externally or in a coolant path of the fuel cell without being able to differentiate.
  • the metering valve can be a hydrogen metering valve which is designed to supply hydrogen, for example hydrogen gas, to be metered to the anode.
  • the setpoint can be a stationary value for controlling the metering valve during operation of the hydrogen cell.
  • the oscillation can be designed to superimpose this setpoint in order to generate the actual pressure.
  • the actual pressure is the target pressure together with a pressure reaction generated by the vibration, which can also be referred to as a “ripple”.
  • the excitation signal can be output, the oscillation of which has a specific oscillation characteristic for generating the actual pressure.
  • the excitation signal can be designed, for example, to bring about a target pressure requirement for a process pressure in the fuel cell on the anode side with a specifically excited overshoot and/or undershoot in the pressure.
  • the pressure signal can be read, wherein the pressure sensor can be arranged to detect the actual pressure at an anode input of the anode and make it available for reading.
  • the oscillation of the excitation signal can be sinusoidal, rectangular or sawtooth-shaped.
  • a sinusoidal, rectangular or sawtooth-shaped oscillation leads to a periodic pressure oscillation in the anode as a pressure response.
  • the excitation signal can be output in the output step, the oscillation of the excitation signal being designed to cause a voltage and/or current change on the metering valve in order to generate the actual pressure at the anode which oscillates around the target pressure.
  • a change in voltage and/or current can advantageously cause a change in pressure at the anode, which can be used to determine the leak.
  • a comparison can be carried out between a course of the actual pressure and a reference course of a reference pressure in order to determine the leakage.
  • the reference curve of the reference pressure can, for example, be predetermined or be a reference curve obtained from a previous measurement. As a predetermined reference curve of the reference pressure, this can be stored, for example, in a storage unit as a known reference curve, which for example, represents an expected course for an intact fuel cell without leakage.
  • the curve can, for example, represent a pressure increase and/or pressure decrease curve of the actual pressure. This makes it quick and easy to determine whether the fuel cell has a leak through a comparison.
  • the leakage of anode gas is determined in the determining step when the course of the actual pressure deviates from the reference course of the reference pressure.
  • the pressure increase curve and/or pressure drop curve should be the same for several measurements, depending on the excitation signal being provided. If, on the other hand, the pressure increase curve and/or pressure drop curve is smaller during the pressure increase and/or larger during the pressure drop, gas must have been lost somewhere, i.e. there must be a leak.
  • the method can also have a further output step in which a further excitation signal which oscillates with the oscillation around the setpoint value is output to the interface to the metering valve at a time different from the step of outputting the excitation signal, the further excitation signal being designed in order to generate the actual pressure at the anode which oscillates around the target pressure, and the method can further comprise a further step of reading in, in which a further pressure signal is read in via the interface to the pressure sensor in order to obtain the reference pressure.
  • the different point in time can be, for example, a point in time preceding the step of outputting the excitation signal.
  • Actual pressure values from several, for example previous, measurements can be taken into account as reference pressures and compared in order to determine the leak. A standard comparison pressure value is therefore not necessary.
  • the pressure signal can be read in, which represents a pressure curve of the actual pressure, with the leakage of anode gas using a pressure increase and/or in the determining step Pressure drop of the actual pressure is determined.
  • the leakage of anode gas can be determined using a defined pressure increase and/or pressure drop and/or an amplitude of the actual pressure.
  • a defined pressure increase and/or a defined pressure drop and/or a defined amplitude can enable an easily assignable result when a defined oscillation is set by the excitation signal.
  • the leak can be detected quickly and easily if the pressure increase and/or pressure drop and/or the amplitude of the defined pressure increase and/or defined pressure drop and/or the defined amplitude is determined.
  • the excitation signal can also be output in order to generate the actual pressure with a predetermined pressure characteristic at the anode, wherein in the determination step a comparison is carried out between the oscillation of the excitation signal and a reference oscillation of a reference excitation signal in order to determine the leakage .
  • the predetermined pressure characteristic of the actual pressure can be a pressure curve of the actual pressure, for example a curve of a pressure increase and/or pressure drop of the actual pressure.
  • the reference excitation signal can be an excitation signal output at a point in time that differs from, for example, a previous, output of the excitation signal.
  • the leakage can be determined if excitation signals with different oscillations are required over time to generate the actual pressure at the anode.
  • a temperature and/or concentration of an anode gas of the anode is also read in, with the leakage of anode gas being determined in the determining step using the temperature and/or concentration.
  • the temperature and/or concentration of the anode gas can also indicate an anode gas leak.
  • the approach presented here also creates a device that is designed to carry out, control or implement the steps of a variant of a method presented here in corresponding devices.
  • This embodiment variant of the approach in the form of a device can also solve the task on which the approach is based quickly and efficiently.
  • the device can have at least one computing unit for processing signals or data, at least one storage unit for storing signals or data, at least one interface to a sensor or an actuator for reading in sensor signals from the sensor or for outputting data or control signals to the Have an actuator and / or at least one communication interface for reading or outputting data that is embedded in a communication protocol.
  • the computing unit can be, for example, a signal processor, a microcontroller or the like, whereby the storage unit can be a flash memory, an EEPROM or a magnetic storage unit.
  • the communication interface can be designed to read or output data wirelessly and/or by wire, wherein a communication interface that can read or output wired data can, for example, read this data electrically or optically from a corresponding data transmission line or output it into a corresponding data transmission line.
  • a device can be understood to mean an electrical device that processes sensor signals and, depending on them, outputs control and/or data signals.
  • the device can have an interface that can be designed in hardware and/or software.
  • the interfaces can, for example, be part of a so-called system ASIC, which contains a wide variety of functions of the device.
  • the interfaces are their own integrated circuits or at least partially consist of discrete components.
  • the interfaces can be software modules that are present, for example, on a microcontroller alongside other software modules.
  • a fuel cell system has at least one fuel cell with an anode and a cathode, a metering valve for metering hydrogen to the anode and the device described above.
  • This can be optional
  • Fuel cell system also have the pressure sensor.
  • the fuel cell may have a polymer electrolyte membrane arranged between the anode and the cathode.
  • the fuel cell system can have a plurality of fuel cells, so-called “stacks”. With such a fuel cell system, it is advantageously possible to quickly and easily detect, without complex sensors, whether there is a leakage of anode gas in the fuel cell.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a device according to an exemplary embodiment for detecting a leakage of anode gas in at least one fuel cell
  • FIG. 2 shows a diagram with curves of an excitation signal and a pressure signal according to an exemplary embodiment
  • FIG. 3 shows a flowchart of a method according to an exemplary embodiment for detecting a leakage of anode gas in at least one fuel cell with an anode and a cathode;
  • FIG. 4 shows a block diagram of a method according to an exemplary embodiment for detecting a leakage of anode gas in at least one fuel cell.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a device 100 according to an exemplary embodiment for detecting a leakage of anode gas in or in the area of at least one fuel cell 105.
  • the device 100 according to this exemplary embodiment is arranged in the area of the fuel cell 105, which here is arranged on or in a vehicle 110, for example.
  • the fuel cell 105 has at least one anode 115 and at least one cathode 120.
  • the device 105 has an output device 125, a reading device 130 and a determination device 135.
  • the output device 125 is designed to output an excitation signal 140 that oscillates around a setpoint to an interface to a metering valve 145 for metering hydrogen H2 to the anode 115, the excitation signal 140 being designed to produce an actual pressure that oscillates around a setpoint pressure the anode 115 to generate.
  • the reading device 130 is designed to read a pressure signal 150 via an interface to a pressure sensor 155 for detecting the actual pressure at or in the area of the anode 115.
  • the determination device 135 is designed to determine the leakage of anode gas using the actual pressure and/or the excitation signal 140.
  • the device 100 is integrated into a fuel cell control device 160 for controlling the fuel cell 105.
  • the fuel cell control device 160 which can also be referred to as a “control device”, and/or the device 100 is connected in terms of signals via a CAN bus CAN to a vehicle control device 165 of the vehicle 110.
  • the device 100 together with the fuel cell 105 and the metering valve 145, can also be referred to as a fuel cell system 168.
  • the fuel cell system 168 only optionally according to this exemplary embodiment further comprises the pressure sensor 155, a supply line 170 for supplying hydrogen Fb from a hydrogen tank, a system isolation valve 172 for separating or establishing a connection between the supply line 170 and the metering valve 145, a jet pump 175 for conveying the Hydrogen H2 to the anode 115, a water separator 177 for separating water from the anode 115 to an exhaust system 178 of the vehicle 110 or for separating hydrogen H2 from the water back to the jet pump 175, a vent valve 180 arranged between the water separator 177 and the exhaust system 178, a drain valve 182 arranged between the water separator 177 and the exhaust system 178, a housing 185 for receiving the fuel cell 105, a cooling device 187 for cooling the fuel cell 105, for example by means of a coolant
  • the supply line 170, the system isolation valve 172, the metering valve 145, the jet pump 175, the water separator 177, the vent valve 180, the drain valve 182 and/or the anode 115 are part of an anode subsystem of the fuel cell 105.
  • the pressure sensor 155 is arranged at an anode input of the anode 115 merely as an example. According to an alternative exemplary embodiment, the pressure sensor 155 or at least one corresponding further pressure sensor is arranged on the vent valve 180, drain valve 182 and/or the cooling device 187.
  • the fuel cell 105 has a membrane arranged between the anode 115 and the cathode 120, for example a so-called “polymer electrolyte membrane”, “PEM” for short.
  • PEM polymer electrolyte membrane
  • the fuel cell system 168 includes a plurality of fuel cells 105, so-called “stacks”.
  • the anode 115 is a stack of anodes and/or the cathode 120 is a stack of cathodes.
  • the anode gas has hydrogen H2, nitrogen and/or water vapor.
  • the device 100 advantageously makes it possible to detect external and internal leakage in the anode path of the fuel cell 105.
  • the leak was caused by a leak on or in the fuel cell 105, or by other components of the fuel cell system 168 leaking, such as. B. the vent valve 180/purge valve or drain valve 182/drain valve, or an interface to a sensor.
  • the device 100 enables leaks to be detected externally or in a coolant path without being able to differentiate. Additionally or alternatively, the device 100 according to an exemplary embodiment enables the detection of leaks from components of the fuel cell system 168 in the anode circuit.
  • the metering valve 145 here in the form of a hydrogen metering valve, is designed according to this exemplary embodiment to meter hydrogen gas to the anode 115.
  • the setpoint represents a stationary value for controlling the metering valve 145 during operation of the hydrogen cell 105.
  • the oscillation of the control signal 140 is designed to superimpose this setpoint in order to generate the actual pressure.
  • the actual pressure is the target pressure together with a pressure reaction/oscillation generated by the vibration, which can also be referred to as a “ripple”.
  • the output device 125 is designed according to this exemplary embodiment to output the excitation signal 140, the oscillation of which has a specific oscillation characteristic for generating the actual pressure.
  • the excitation signal 140 is designed to bring about a target pressure request for a process pressure in the fuel cell 105 on the anode side with a specifically excited overshoot and/or undershoot in the pressure.
  • the reading device 130 is designed according to an exemplary embodiment to read the pressure signal 150 from the interface to the pressure sensor 155, which is arranged to detect the actual pressure at an anode input of the anode 115 and to provide it to the reading device 130.
  • the fuel cell system 168 with the device 100, which is designed to carry out a method for determining a leakage of anode gas, which contains, for example, hydrogen H2.
  • the fuel cell system 168 is formed as a so-called “polymer electrolyte membrane” fuel cell system, which is designed to convert hydrogen H2 into electrical energy using oxygen, generating waste heat and water.
  • the PEM fuel cell 168 consists of an anode 115, which is supplied with hydrogen H2, a cathode 120, which is supplied with air, and the polymer electrolyte membrane placed between them according to this exemplary embodiment.
  • the gas delivery units used are the jet pump 175, also called “jet pump”, or hybrid solutions consisting of a jet pump and a hydrogen blower.
  • the process pressure in the fuel cell system 168 is varied depending on the load and there is a pressure difference between anode 115 and cathode 120 with an overpressure during operation of anode 115 compared to cathode 120.
  • Changes in load requirements to the fuel cell system 168 which are caused by external requirements, e.g . B. by the vehicle 110 or a stationary application, are often unpredictable, especially in terms of duration, amount and time. This means that pressure changes are also possible.
  • the main cause of damage to a fuel cell stack is depletion of educts. Especially on the anode side, depletion of hydrogen H2 very quickly leads to irreversible damage in the membrane electrode unit, “MEA” for short, of the hydrogen cell 105. Damage is detected using the device 100 presented here, advantageously without voltmetric individual cell voltage monitoring. This would be complex, expensive and currently not available on the market over the lifespan for the required safety quality and integrity.
  • the fuel cell system 168 presented here also does not require active recirculation using a recirculation blower, “ARB” for short.
  • the device 100 advantageously makes it possible to evaluate a leak between the anode and cathode sides in a fuel cell system 168 without the method of voltmetric single cell voltage monitoring or other sensors/actuators such as. E.g. to use “ARB”. Rather, the device 100 makes it possible to set a target pressure requirement for the process pressure in the fuel cell system 168 on the anode side with a specifically excited overshoot and undershoot in the pressure.
  • a control current oscillation in the form of voltage and / or current changes occurs on the metering valve 145, which can also be referred to as a “hydrogen gas injector”.
  • FIG. 2 shows a diagram in which, as an example, curves of an excitation signal 140 and a pressure signal 150 are plotted over time t. These can be exemplary embodiments of the signals described in FIG. 1.
  • the oscillation 200 of the excitation signal 140 which represents a control current of the metering valve, is approximately sinusoidal according to this exemplary embodiment, or rectangular or sawtooth-shaped according to an alternative exemplary embodiment, around the setpoint 205, which can also be referred to as a “steady value”.
  • This sinusoidal, or alternatively rectangular or sawtooth-shaped, oscillation 200 leads to a periodic pressure oscillation 210 in the anode as a pressure response, which can be recognized via the pressure signal 150.
  • this pressure oscillation 210 oscillates around a stationary target pressure 215, which, together with the pressure oscillation 210, represents the actual pressure 218 of the pressure signal 150.
  • amplitudes 220 are amplitudes 220, a period 225, a pressure gradient Ap/At and a current gradient Al/At.
  • a first area 230 a lower process pressure in the fuel cell system is realized depending on the load during operation of the fuel cell system than in a second area 235. Changes in load requirements for the fuel cell system occur due to external requirements, e.g. B. by the vehicle 110 or a stationary one Application, and are often unpredictable, especially in terms of duration, amount and timing.
  • the oscillation 200 of the excitation signal 140 is designed according to this exemplary embodiment to cause a voltage and/or current change on the metering valve in order to generate the actual pressure 218 at the anode which oscillates around the target pressure 215.
  • the determination device of the device described with reference to FIG. 1 is designed according to an exemplary embodiment to carry out a comparison between a course of the actual pressure 218 and a reference course of a reference pressure in order to determine the leakage.
  • the reference curve of the reference pressure is predetermined or a reference curve obtained from a previous measurement using the device.
  • the reference curve according to an exemplary embodiment is stored and/or retrievable in a storage unit of the device 100 as a known reference curve, which represents, for example, an expected curve in an intact fuel cell without leakage.
  • the course represents a pressure increase and/or pressure drop course of the actual pressure 218.
  • the determination device is designed to determine the leakage of anode gas when the course of the actual pressure 218 deviates from the reference course of the reference pressure.
  • the determination device is further designed to detect no leakage of anode gas, i.e. an intact fuel cell, if, for example, in several measurements, the pressure increase curve and/or pressure drop curve after providing the excitation signal 140 is the same, or the curve of the actual pressure 218 is the same as the reference curve of the Reference pressure matches. If, on the other hand, the pressure increase curve and/or pressure drop curve is, for example, smaller in the pressure increase and/or larger in the pressure drop, it is recognized according to one exemplary embodiment that gas must have been lost somewhere, i.e. there is a leak.
  • the reading device of the device is designed to read the pressure signal 150, which represents a pressure curve of the actual pressure 218, the determining device being designed to detect the leakage of anode gas using a pressure increase and/or pressure drop and/or an amplitude 220 of the Actual pressure 218 to be determined.
  • the leakage of anode gas can be determined using a defined pressure increase and/or a defined pressure drop and/or a defined amplitude of the actual pressure 218.
  • the leak can be detected quickly and easily if the defined pressure increase and/or defined pressure drop and/or the defined amplitude is determined as the pressure increase and/or pressure drop and/or the amplitude 220.
  • the output device of the device is designed to output the excitation signal 140, which is designed to generate the actual pressure 218 with a predetermined pressure characteristic at the anode, the determining device being designed to make a comparison between the oscillation 200 of the excitation signal 140 and a reference oscillation of a reference excitation signal to determine the leakage.
  • the predetermined pressure characteristic of the actual pressure 218 represents a predetermined pressure curve of the actual pressure 218, for example a curve of a pressure increase and/or pressure drop of the actual pressure 218.
  • the reference excitation signal can be output at a point in time that differs from the output of the excitation signal 140, for example a previous time Be an excitation signal.
  • the leakage is determined if excitation signals 140 with different oscillations 200 are required to generate the actual pressure 218 at the anode over time, i.e. a change in the excitation signal 140 is required in order to achieve the predetermined pressure profile of the actual pressure 218 .
  • the reading device is designed according to an exemplary embodiment to further read a temperature and/or concentration of an anode gas of the anode, wherein the determining device is designed to determine the leakage of anode gas using also the temperature and / or concentration.
  • the superimposed change in the drive current in the form of the oscillation 200 is, for example, sinusoidal, rectangular or sawtooth-shaped. This leads to the periodic pressure oscillation 210 in the anode system as a step response.
  • the limits within which the vibration 200 moves are, according to one exemplary embodiment, mainly limited by the differential pressure between the anode and cathode and, according to this exemplary embodiment, range between a few millibars, for example 10 mbar, and up to one bar.
  • the resolution is made using the limits and/or detection accuracy and the sampling rate can be specifically influenced according to one exemplary embodiment. According to one exemplary embodiment, the two goals behave reciprocally.
  • the pressure rise and fall curve Ap/At and the amplitude 220 are measured using the pressure signal 150 of the pressure sensor at the entrance to the anode side.
  • the pressure rise and fall curve and the amplitude 220 in the anode of the fuel cell system to predetermined control current oscillations 200 are known for an optimally functioning system according to an exemplary embodiment.
  • the device or according to an exemplary embodiment in the fuel cell control device/monitoring device English. “Fuel Cell Control Unit”, or “FCCU” for short, this information is compared and evaluated. With otherwise the same settings and/or the same consumption of hydrogen H2 between two measurements, the course of the pressure increase or decrease should be the same with an intact fuel cell. If it is lower when the pressure increases and/or larger when the pressure drops, gas must have been lost somewhere.
  • the leakage rate in a new, optimally functioning fuel cell system is, for example, between 1000 and 4000 Nccm/h between anode and cathode at a pressure difference of 300 mbar.
  • This leak rate increases.
  • Holes of the order of 0.1 mm for example, contribute to the hydrogen loss of approximately 10,000 Nccm/h. This leads, for example, to a pressure change of 11 mbar in one second in the fuel cell system compared to a fuel cell system without a hole.
  • the pressure oscillation 210 z. B. generated by means of a two-point controller, which regulates with a defined deviation around the target pressure 215, so to speak the amplitude 220 of the pressure oscillation 210 is specified.
  • the required control current of the hydrogen metering valve is used as a measure for the step response.
  • the methodology of the device is used in the start and/or shutdown phase of the fuel cell system, in which, according to one exemplary embodiment, a step response of the anode pressure is evaluated for each start and/or stop request.
  • the temperature and/or the concentration of the anode gas is also taken into account.
  • the fuel cell system is suitable for stationary and mobile applications and does not require special sensors such as an “ARB” or centivoltmeter, or “CVM” for short, to monitor the leakage from the anode side to the cathode side, to the outside or into the coolant path. Avoiding and detecting anode gas leaks, such as hydrogen leaks, are safety goals in the fuel cell system.
  • the device higher efficiency, a longer service life and energy density of the fuel cell system are possible while reducing costs.
  • the device can be used throughout the service life without additional sensors. This will do it Fuel cell system is optimally utilized during operation over its service life and the efficiency is increased over its service life.
  • FIG. 3 shows a flowchart of a method 300 according to an exemplary embodiment for detecting a leakage of anode gas in at least one fuel cell with an anode and a cathode. This can be a method 300 that can be carried out or controlled by the device described with reference to the previous figures.
  • the method 300 has a step 305 of outputting, a step 310 of reading in and a step 315 of determining.
  • step 305 of output an excitation signal oscillating around a setpoint is output to an interface to a metering valve for metering hydrogen to the anode, the excitation signal being designed to generate an actual pressure at the anode that oscillates around a setpoint pressure.
  • step 310 of reading in a pressure signal is read in via an interface to a pressure sensor for detecting the actual pressure at the anode.
  • step 315 of determining the leakage of anode gas is determined using the actual pressure and/or the excitation signal.
  • the method 300 also has a further step 320 of output and/or a further step 325 of reading.
  • a further excitation signal oscillating with the oscillation around the setpoint is output to the interface to the metering valve at a time different from step 305 of outputting the excitation signal, the further excitation signal being designed to oscillate around the setpoint pressure To generate actual pressure at the anode.
  • a further pressure signal is read in via the interface to the pressure sensor in order to obtain a reference pressure for comparison with the actual pressure.
  • FIG. 4 shows a block diagram 400 of a method according to an exemplary embodiment for detecting a leakage of anode gas in at least one fuel cell in an exemplary embodiment. This can be the method described in FIG. 3.
  • a procedural sequence for determining the leakage is shown.
  • the target value is determined in the form of a target control current for the metering valve.
  • a target control current-dependent ripple is determined in the form of the vibration for the metering valve.
  • an actual control current for the metering valve with ripple is set from a sum of the target control current and the ripple.
  • the third block 415 may correspond to the outputting step described in FIG. 3.
  • the actual pressure is measured with ripple.
  • the fourth block 420 can correspond to the reading step described in FIG. 3.
  • a fifth block 425 an analysis is carried out to detect the leak.
  • the fifth block 425 may correspond to the determining step described in FIG. 3.
  • a smoothed actual pressure is determined according to this exemplary embodiment.
  • the target pressure is determined according to this exemplary embodiment.
  • the setpoint is determined using the setpoint pressure.
  • the setpoint is determined using a difference between the setpoint pressure and the smoothed actual pressure.

Landscapes

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

Abstract

The invention relates to a method for detecting a leakage of anode gas in or in the region of at least one fuel cell (105) with an anode (115) and an a cathode (120). The method involves an output step, an input step and a determining step. In the output step, an excitation signal (140) oscillating with a target value is output to an interface to a metering valve (145) for metering hydrogen (H2) to the anode (115), wherein the excitation signal (140) is designed to generate an actual pressure at the anode (115) oscillating with a target pressure. In the input step, a pressure signal (150) is input via an interface to a pressure sensor (155) for detecting detect the actual pressure at or in the region of the anode (115). In the determining step, the leakage of anode gas is determined using the actual pressure and/or the excitation signal (140).

Description

Beschreibung Description
Titel title
Verfahren und
Figure imgf000003_0001
zum Erkennen einer Leckage von
Figure imgf000003_0002
s in oder
Figure imgf000003_0003
Procedure and
Figure imgf000003_0001
to detect a leak from
Figure imgf000003_0002
s in or
Figure imgf000003_0003
Stand der Technik State of the art
Der Ansatz geht von einer Vorrichtung oder einem Verfahren nach Gattung der unabhängigen Ansprüche aus. The approach is based on a device or a method according to the preamble of the independent claims.
Die Erkennung einer Beschädigung in einem Brennstoffzellensystem erfolgt üblicherweise mittels voltmetrischer Einzelzellspannungsüberwachung oder anderer Sensorik wie z. B. mittels Wasserstoff-Sensor im Abgas. Damage in a fuel cell system is usually detected using voltmetric individual cell voltage monitoring or other sensors such as. B. using a hydrogen sensor in the exhaust gas.
Offenbarung der Erfindung Disclosure of the invention
Vor diesem Hintergrund werden mit dem hier vorgestellten Ansatz ein Verfahren zum Erkennen einer Leckage von Anodengas in oder im Bereich zumindest einer Brennstoffzelle, weiterhin eine Vorrichtung, die dieses Verfahren verwendet, sowie schließlich ein Brennstoffzellensystem mit einer Vorrichtung gemäß den Hauptansprüchen vorgestellt. Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im unabhängigen Anspruch angegebenen Verfahrens möglich. Against this background, the approach presented here presents a method for detecting a leakage of anode gas in or in the area of at least one fuel cell, a device that uses this method, and finally a fuel cell system with a device according to the main claims. The measures listed in the dependent claims make advantageous developments and improvements to the method specified in the independent claim possible.
Die mit dem vorgestellten Ansatz erreichbaren Vorteile bestehen darin, dass eine Leckage von Anodengas in oder im Bereich einer Brennstoffzelle schnell und einfach, ohne aufwendige Überwachungssensorik erkannt werden kann. Es wird ein Verfahren zum Erkennen einer Leckage von Anodengas in oder im Bereich zumindest einer Brennstoffzelle mit einer Anode und einer Kathode vorgestellt. Das Verfahren weist einen Schritt des Ausgebens, einen Schritt des Einlesens und einen Schritt des Ermittelns auf. Im Schritt des Ausgebens wird ein mit einer Schwingung um einen Sollwert schwingendes Anregungssignal an eine Schnittstelle zu einem Dosierventil zum Dosieren von Wasserstoff an die Anode ausgegeben, wobei das Anregungssignal ausgebildet ist, um einen um einen Solldruck schwingenden Istdruck an der Anode zu erzeugen. Im Schritt des Einlesens wird ein Drucksignal über eine Schnittstelle zu einem Drucksensor zum Erfassen des Istdrucks an oder im Bereich der Anode eingelesen. Im Schritt des Ermittelns wird die Leckage von Anodengas unter Verwendung des Istdrucks und/oder des Anregungssignals ermittelt. The advantages that can be achieved with the presented approach are that a leakage of anode gas in or in the area of a fuel cell can be detected quickly and easily, without complex monitoring sensors. A method for detecting a leakage of anode gas in or in the area of at least one fuel cell with an anode and a cathode is presented. The method has an output step, a reading step and a determining step. In the output step, an excitation signal that oscillates around a setpoint is output to an interface to a metering valve for metering hydrogen to the anode, the excitation signal being designed to generate an actual pressure at the anode that oscillates around a setpoint pressure. In the reading step, a pressure signal is read in via an interface to a pressure sensor for detecting the actual pressure at or in the area of the anode. In the determining step, the leakage of anode gas is determined using the actual pressure and/or the excitation signal.
Dieses Verfahren kann beispielsweise in Software oder Hardware oder in einer Mischform aus Software und Hardware beispielsweise in einem Steuergerät implementiert sein. This method can be implemented, for example, in software or hardware or in a mixed form of software and hardware, for example in a control device.
Die Brennstoffzelle kann eine zwischen der Anode und der Kathode angeordnete Membran, beispielsweise eine sogenannte „Polymer Elektrolyt Membran“, kurz „PEM“, aufweisen. Zwischen der Anode und der Kathode kann im Betrieb der Brennstoffzelle eine definierte Druckdifferenz herrschen, beispielsweise eine Druckdifferenz von 300 mbar. Das Verfahren kann entsprechend auch im Zusammenhang mit einem Brennstoffzellensystem durchgeführt werden, das eine Mehrzahl der Brennstoffzellen, sogenannte „Stacks“, aufweist. Das Anodengas kann Wasserstoff, kurz „H2“, Stickstoff, kurz „N2“ und/oder Wasser, beispielsweise in Form von Wasserdampf, kurz ,,H2O(g)“, aufweisen. Das Verfahren ermöglicht es vorteilhafterweise, eine externe und interne Leckage im Anodenpfad der Brennstoffzelle zu erkennen. Beispielsweise kann die Leckage durch eine undichte Stelle an oder in der Brennstoffzelle bewirkt werden. Es können auch andere Komponenten undicht sein wie z. B. ein Entlüftungsventil/Purge-Ventil oder Ablassventil/Drain-Ventil der Brennstoffzelle, oder eine Schnittstelle zu einem Sensor. Das Verfahren kann auch Leckagen nach extern oder in einen Kühlmittel pfad der Brennstoffzelle erkennen, ohne differenzieren zu können. Bei dem Dosierventil kann es sich um ein Wasserstoffdosierventil handeln, das ausgebildet ist, um Wasserstoff, beispielsweise Wasserstoffgas, an die Anode zu dosieren. Der Sollwert kann ein stationärer Wert zur Ansteuerung des Dosierventils im Betrieb der Wasserstoffzelle sein. Die Schwingung kann ausgebildet sein, um diesen Sollwert zu überlagern, um den Istdruck zu erzeugen. Als Istdruck ist der Solldruck zusammen mit einer durch die Schwingung erzeugten Druckreaktion zu verstehen, die auch als „Rippel“ bezeichnet werden kann. Im Schritt des Ausgebens kann beispielsweise das Anregungssignal ausgegeben werden, dessen Schwingung eine bestimmte Schwingungscharakteristik zur Erzeugung des Istdrucks aufweist. Das Anregungssignal kann beispielsweise ausgebildet sein, um eine Solldruckanforderung an einen Prozessdruck in der Brennstoffzelle anodenseitig mit einer gezielt angeregten Über- und/oder Unterschwingung im Druck zu bewirken. Im Schritt des Einlesens kann das Drucksignal eingelesen werden, wobei der Drucksensor angeordnet sein kann, um den Istdruck an einem Anodeneingang der Anode zu erfassen und zum Einlesen bereitzustellen. The fuel cell can have a membrane arranged between the anode and the cathode, for example a so-called “polymer electrolyte membrane”, “PEM” for short. There can be a defined pressure difference between the anode and the cathode during operation of the fuel cell, for example a pressure difference of 300 mbar. The method can also be carried out in connection with a fuel cell system that has a plurality of fuel cells, so-called “stacks”. The anode gas can contain hydrogen, “H2” for short, nitrogen, “N2” for short, and/or water, for example in the form of water vapor, “H2O(g)” for short. The method advantageously makes it possible to detect external and internal leakage in the anode path of the fuel cell. For example, the leak can be caused by a leak on or in the fuel cell. Other components may also be leaking, such as: B. a vent valve/purge valve or drain valve/drain valve of the fuel cell, or an interface to a sensor. The method can also detect leaks externally or in a coolant path of the fuel cell without being able to differentiate. The metering valve can be a hydrogen metering valve which is designed to supply hydrogen, for example hydrogen gas, to be metered to the anode. The setpoint can be a stationary value for controlling the metering valve during operation of the hydrogen cell. The oscillation can be designed to superimpose this setpoint in order to generate the actual pressure. The actual pressure is the target pressure together with a pressure reaction generated by the vibration, which can also be referred to as a “ripple”. In the output step, for example, the excitation signal can be output, the oscillation of which has a specific oscillation characteristic for generating the actual pressure. The excitation signal can be designed, for example, to bring about a target pressure requirement for a process pressure in the fuel cell on the anode side with a specifically excited overshoot and/or undershoot in the pressure. In the reading step, the pressure signal can be read, wherein the pressure sensor can be arranged to detect the actual pressure at an anode input of the anode and make it available for reading.
Im Schritt des Ausgebens kann die Schwingung des Anregungssignals sinus-, rechtecks- oder sägezahnförmig sein. Eine solch sinus-, rechtecks- oder sägezahnförmige Schwingung führt zu einer periodischen Druckschwingung in der Anode als Druckantwort. In the outputting step, the oscillation of the excitation signal can be sinusoidal, rectangular or sawtooth-shaped. Such a sinusoidal, rectangular or sawtooth-shaped oscillation leads to a periodic pressure oscillation in the anode as a pressure response.
Gemäß einer Ausführungsform kann im Schritt des Ausgebens das Anregungssignal ausgegeben werden, wobei die Schwingung des Anregungssignals ausgebildet ist, um eine Spannungs- und/oder Stromänderung auf das Dosierventil zu bewirken, um den um den Solldruck schwingenden Istdruck an der Anode zu erzeugen. Über eine solche Spannungs- und/oder Stromänderung kann vorteilhafterweise eine Druckänderung an der Anode bewirkt werden, welche zur Ermittlung der Leckage dienen kann. According to one embodiment, the excitation signal can be output in the output step, the oscillation of the excitation signal being designed to cause a voltage and/or current change on the metering valve in order to generate the actual pressure at the anode which oscillates around the target pressure. Such a change in voltage and/or current can advantageously cause a change in pressure at the anode, which can be used to determine the leak.
Im Schritt des Ermittelns kann beispielsweise ein Vergleich zwischen einem Verlauf des Istdrucks und einem Referenzverlauf eines Referenzdrucks durchgeführt werden, um die Leckage zu ermitteln. Der Referenzverlauf des Referenzdrucks kann beispielsweise vorbestimmt sein oder ein aus einer vorangegangenen Messung erhaltener Referenzverlauf sein. Als vorbestimmter Referenzverlauf des Referenzdrucks kann dieser beispielsweise in einer Speichereinheit als ein bekannter Referenzverlauf hinterlegt sein, welcher beispielsweise einen zu erwartenden Verlauf bei einer intakten Brennstoffzelle ohne Leckage repräsentiert. Der Verlauf kann beispielsweise einen Druckanstiegs- und/oder Druckabfallsverlauf des Istdrucks repräsentieren. So kann schnell und einfach durch einen Vergleich ermittelt werden, ob die Brennstoffzelle eine Leckage aufweist. In the determining step, for example, a comparison can be carried out between a course of the actual pressure and a reference course of a reference pressure in order to determine the leakage. The reference curve of the reference pressure can, for example, be predetermined or be a reference curve obtained from a previous measurement. As a predetermined reference curve of the reference pressure, this can be stored, for example, in a storage unit as a known reference curve, which for example, represents an expected course for an intact fuel cell without leakage. The curve can, for example, represent a pressure increase and/or pressure decrease curve of the actual pressure. This makes it quick and easy to determine whether the fuel cell has a leak through a comparison.
Es ist weiterhin von Vorteil, wenn gemäß einer Ausführungsform im Schritt des Ermittelns die Leckage von Anodengas ermittelt wird, wenn der Verlauf des Istdrucks von dem Referenzverlauf des Referenzdrucks abweicht. Bei einer intakten Brennstoffzelle sollte bei beispielsweise mehreren Messungen der Druckanstiegsverlauf und/oder Druckabfallverlauf je nach Bereitstellen des Anregungssignals gleich sein. Ist der Druckanstiegsverlauf und/oder Druckabfallverlauf hingegen geringer beim Druckanstieg und/oder größer im Druckabfall, muss irgendwo Gas verloren gegangen sein, also eine Leckage vorliegen. It is furthermore advantageous if, according to one embodiment, the leakage of anode gas is determined in the determining step when the course of the actual pressure deviates from the reference course of the reference pressure. In the case of an intact fuel cell, for example, the pressure increase curve and/or pressure drop curve should be the same for several measurements, depending on the excitation signal being provided. If, on the other hand, the pressure increase curve and/or pressure drop curve is smaller during the pressure increase and/or larger during the pressure drop, gas must have been lost somewhere, i.e. there must be a leak.
Das Verfahren kann ferner einen weiteren Schritt des Ausgebens aufweisen, in dem zu einem sich vom Schritt des Ausgebens des Anregungssignals unterscheidenden Zeitpunkt ein mit der Schwingung um den Sollwert schwingendes weiteres Anregungssignals an die Schnittstelle zu dem Dosierventil ausgegeben wird, wobei das weitere Anregungssignal ausgebildet ist, um den um den Solldruck schwingenden Istdruck an der Anode zu erzeugen, und das Verfahren kann ferner einen weiteren Schritt des Einlesens aufweisen, in dem ein weiteres Drucksignal über die Schnittstelle zu dem Drucksensor eingelesen wird, um den Referenzdruck zu erhalten. Bei dem sich unterscheidenden Zeitpunkt kann es sich beispielsweise um einen dem Schritt des Ausgebens des Anregungssignals vorangegangenen Zeitpunkt handeln. So können Istdruckwerte von mehreren, beispielsweise vorangegangenen, Messungen als Referenzdrücke berücksichtigt und verglichen werden, um die Leckage zu ermitteln. Ein standardmäßig hinterlegter Vergleichsdruckwert ist somit nicht notwendig. The method can also have a further output step in which a further excitation signal which oscillates with the oscillation around the setpoint value is output to the interface to the metering valve at a time different from the step of outputting the excitation signal, the further excitation signal being designed in order to generate the actual pressure at the anode which oscillates around the target pressure, and the method can further comprise a further step of reading in, in which a further pressure signal is read in via the interface to the pressure sensor in order to obtain the reference pressure. The different point in time can be, for example, a point in time preceding the step of outputting the excitation signal. Actual pressure values from several, for example previous, measurements can be taken into account as reference pressures and compared in order to determine the leak. A standard comparison pressure value is therefore not necessary.
Im Schritt des Einlesens kann das Drucksignal eingelesen werden, das einen Druckverlauf des Istdrucks repräsentiert, wobei im Schritt des Ermittelns die Leckage von Anodengas unter Verwendung eines Druckanstiegs und/oder Druckabfalls des Istdrucks ermittelt wird. Hierbei kann beispielsweise im Schritt des Ermittelns die Leckage von Anodengas unter Verwendung eines definierten Druckanstiegs und/oder Druckabfalls und/oder einer Amplitude des Istdrucks ermittelt werden. Ein definierter Druckanstieg und/oder definierter Druckabfall und/oder eine definierte Amplitude kann ein einfach zuordenbares Resultat bei Einstellen einer definierten Schwingung durch das Anregungssignal ermöglichen. So kann die Leckage beispielsweise schnell und einfach erkannt werden, wenn also der Druckanstieg und/oder Druckabfall und/oder die Amplitude der definierte Druckanstieg und/oder definierte Druckabfall und/oder die definierte Amplitude ermittelt wird. In the reading step, the pressure signal can be read in, which represents a pressure curve of the actual pressure, with the leakage of anode gas using a pressure increase and/or in the determining step Pressure drop of the actual pressure is determined. Here, for example, in the step of determining, the leakage of anode gas can be determined using a defined pressure increase and/or pressure drop and/or an amplitude of the actual pressure. A defined pressure increase and/or a defined pressure drop and/or a defined amplitude can enable an easily assignable result when a defined oscillation is set by the excitation signal. For example, the leak can be detected quickly and easily if the pressure increase and/or pressure drop and/or the amplitude of the defined pressure increase and/or defined pressure drop and/or the defined amplitude is determined.
Im Schritt des Ausgebens kann das Anregungssignal aber auch ausgegeben werden, um den Istdruck mit einer vorbestimmten Druckcharakteristik an der Anode zu erzeugen, wobei im Schritt des Ermittelns ein Vergleich zwischen der Schwingung des Anregungssignals und einer Referenzschwingung eines Referenzanregungssignals durchgeführt wird, um die Leckage zu ermitteln. Die vorbestimmte Druckcharakteristik des Istdrucks kann ein Druckverlauf des Istdrucks sein, beispielsweise ein Verlauf eines Druckanstiegs und/oder Druckabfalls des Istdrucks. Das Referenzanregungssignal kann ein zu einem sich von der Ausgabe des Anregungssignals unterscheidenden, beispielsweise vorangegangenen, Zeitpunkt ausgegebenes Anregungssignal sein. So kann beispielsweise die Leckage ermittelt werden, wenn zur Erzeugung des Istdrucks an der Anode mit der Zeit Anregungssignale mit unterschiedlichen Schwingungen erforderlich sind. In the output step, the excitation signal can also be output in order to generate the actual pressure with a predetermined pressure characteristic at the anode, wherein in the determination step a comparison is carried out between the oscillation of the excitation signal and a reference oscillation of a reference excitation signal in order to determine the leakage . The predetermined pressure characteristic of the actual pressure can be a pressure curve of the actual pressure, for example a curve of a pressure increase and/or pressure drop of the actual pressure. The reference excitation signal can be an excitation signal output at a point in time that differs from, for example, a previous, output of the excitation signal. For example, the leakage can be determined if excitation signals with different oscillations are required over time to generate the actual pressure at the anode.
Es ist weiterhin von Vorteil, wenn im Schritt des Einlesens ferner eine Temperatur und/oder Konzentration eines Anodengases der Anode eingelesen wird, wobei im Schritt des Ermittelns die Leckage von Anodengas unter Verwendung ferner der Temperatur und/oder Konzentration ermittelt wird. Auch die Temperatur und/oder Konzentration des Anodengases können einen Hinweis auf eine Leckage von Anodengas geben. It is also advantageous if, in the reading step, a temperature and/or concentration of an anode gas of the anode is also read in, with the leakage of anode gas being determined in the determining step using the temperature and/or concentration. The temperature and/or concentration of the anode gas can also indicate an anode gas leak.
Der hier vorgestellte Ansatz schafft ferner eine Vorrichtung, die ausgebildet ist, um die Schritte einer Variante eines hier vorgestellten Verfahrens in entsprechenden Einrichtungen durchzuführen, anzusteuern bzw. umzusetzen. Auch durch diese Ausführungsvariante des Ansatzes in Form einer Vorrichtung kann die dem Ansatz zugrunde liegende Aufgabe schnell und effizient gelöst werden. The approach presented here also creates a device that is designed to carry out, control or implement the steps of a variant of a method presented here in corresponding devices. This embodiment variant of the approach in the form of a device can also solve the task on which the approach is based quickly and efficiently.
Hierzu kann die Vorrichtung zumindest eine Recheneinheit zum Verarbeiten von Signalen oder Daten, zumindest eine Speichereinheit zum Speichern von Signalen oder Daten, zumindest eine Schnittstelle zu einem Sensor oder einem Aktor zum Einlesen von Sensorsignalen von dem Sensor oder zum Ausgeben von Daten- oder Steuersignalen an den Aktor und/oder zumindest eine Kommunikationsschnittstelle zum Einlesen oder Ausgeben von Daten aufweisen, die in ein Kommunikationsprotokoll eingebettet sind. Die Recheneinheit kann beispielsweise ein Signalprozessor, ein Mikrocontroller oder dergleichen sein, wobei die Speichereinheit ein Flash-Speicher, ein EEPROM oder eine magnetische Speichereinheit sein kann. Die Kommunikationsschnittstelle kann ausgebildet sein, um Daten drahtlos und/oder leitungsgebunden einzulesen oder auszugeben, wobei eine Kommunikationsschnittstelle, die leitungsgebundene Daten einlesen oder ausgeben kann, diese Daten beispielsweise elektrisch oder optisch aus einer entsprechenden Datenübertragungsleitung einlesen oder in eine entsprechende Datenübertragungsleitung ausgeben kann. For this purpose, the device can have at least one computing unit for processing signals or data, at least one storage unit for storing signals or data, at least one interface to a sensor or an actuator for reading in sensor signals from the sensor or for outputting data or control signals to the Have an actuator and / or at least one communication interface for reading or outputting data that is embedded in a communication protocol. The computing unit can be, for example, a signal processor, a microcontroller or the like, whereby the storage unit can be a flash memory, an EEPROM or a magnetic storage unit. The communication interface can be designed to read or output data wirelessly and/or by wire, wherein a communication interface that can read or output wired data can, for example, read this data electrically or optically from a corresponding data transmission line or output it into a corresponding data transmission line.
Unter einer Vorrichtung kann vorliegend ein elektrisches Gerät verstanden werden, das Sensorsignale verarbeitet und in Abhängigkeit davon Steuer- und/oder Datensignale ausgibt. Die Vorrichtung kann eine Schnittstelle aufweisen, die hard- und/oder softwaremäßig ausgebildet sein kann. Bei einer hardwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen beispielsweise Teil eines sogenannten System-ASICs sein, der verschiedenste Funktionen der Vorrichtung beinhaltet. Es ist jedoch auch möglich, dass die Schnittstellen eigene, integrierte Schaltkreise sind oder zumindest teilweise aus diskreten Bauelementen bestehen. Bei einer softwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen Softwaremodule sein, die beispielsweise auf einem Mikrocontroller neben anderen Softwaremodulen vorhanden sind. In the present case, a device can be understood to mean an electrical device that processes sensor signals and, depending on them, outputs control and/or data signals. The device can have an interface that can be designed in hardware and/or software. In the case of a hardware design, the interfaces can, for example, be part of a so-called system ASIC, which contains a wide variety of functions of the device. However, it is also possible that the interfaces are their own integrated circuits or at least partially consist of discrete components. In the case of software training, the interfaces can be software modules that are present, for example, on a microcontroller alongside other software modules.
Ein Brennstoffzellensystem weist zumindest eine Brennstoffzelle mit einer Anode und einer Kathode, ein Dosierventil zum Dosieren von Wasserstoff an die Anode und die vorangehend beschriebene Vorrichtung auf. Optional kann das Brennstoffzellensystem auch den Drucksensor aufweisen. Die Brennstoffzelle kann eine zwischen der Anode und der Kathode angeordnete Polymer Elektrolyt Membran aufweisen. Das Brennstoffzellensystem kann eine Mehrzahl der Brennstoffzellen, sogenannte „Stacks“, aufweisen. Bei einem solchen Brennstoffzellensystem ist vorteilhafterweise schnell und einfach ohne komplexe Sensorik erkennbar, ob eine Leckage von Anodengas in der Brennstoffzelle vorliegt. A fuel cell system has at least one fuel cell with an anode and a cathode, a metering valve for metering hydrogen to the anode and the device described above. This can be optional Fuel cell system also have the pressure sensor. The fuel cell may have a polymer electrolyte membrane arranged between the anode and the cathode. The fuel cell system can have a plurality of fuel cells, so-called “stacks”. With such a fuel cell system, it is advantageously possible to quickly and easily detect, without complex sensors, whether there is a leakage of anode gas in the fuel cell.
Ausführungsbeispiele des hier vorgestellten Ansatzes sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt: Exemplary embodiments of the approach presented here are shown in the drawings and explained in more detail in the following description. It shows:
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel zum Erkennen einer Leckage von Anodengas in zumindest einer Brennstoffzelle; 1 shows a schematic representation of a device according to an exemplary embodiment for detecting a leakage of anode gas in at least one fuel cell;
Fig. 2 ein Diagramm mit Verläufen eines Anregungssignals und eines Drucksignals gemäß einem Ausführungsbeispiel; 2 shows a diagram with curves of an excitation signal and a pressure signal according to an exemplary embodiment;
Fig. 3 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens gemäß einem Ausführungsbeispiel zum Erkennen einer Leckage von Anodengas in zumindest einer Brennstoffzelle mit einer Anode und einer Kathode; und 3 shows a flowchart of a method according to an exemplary embodiment for detecting a leakage of anode gas in at least one fuel cell with an anode and a cathode; and
Fig. 4 ein Blockschaltbild eines Verfahrens gemäß einem Ausführungsbeispiel zum Erkennen einer Leckage von Anodengas in zumindest einer Brennstoffzelle. 4 shows a block diagram of a method according to an exemplary embodiment for detecting a leakage of anode gas in at least one fuel cell.
In der nachfolgenden Beschreibung günstiger Ausführungsbeispiele des vorliegenden Ansatzes werden für die in den verschiedenen Figuren dargestellten und ähnlich wirkenden Elemente gleiche oder ähnliche Bezugszeichen verwendet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente verzichtet wird. In the following description of favorable exemplary embodiments of the present approach, the same or similar reference numerals are used for the elements shown in the various figures and having a similar effect, with a repeated description of these elements being omitted.
Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung einer Vorrichtung 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel zum Erkennen einer Leckage von Anodengas in oder im Bereich zumindest einer Brennstoffzelle 105. Lediglich beispielhaft ist die Vorrichtung 100 gemäß diesem Ausführungsbeispiel im Bereich der Brennstoffzelle 105 angeordnet, welche hier beispielhaft an oder in einem Fahrzeug 110 angeordnet ist. Die Brennstoffzelle 105 weist zumindest eine Anode 115 und zumindest eine Kathode 120 auf. 1 shows a schematic representation of a device 100 according to an exemplary embodiment for detecting a leakage of anode gas in or in the area of at least one fuel cell 105. Merely as an example, the device 100 according to this exemplary embodiment is arranged in the area of the fuel cell 105, which here is arranged on or in a vehicle 110, for example. The fuel cell 105 has at least one anode 115 and at least one cathode 120.
Die Vorrichtung 105 weist eine Ausgabeeinrichtung 125, eine Einleseeinrichtung 130 und eine Ermittlungseinrichtung 135 auf. Die Ausgabeeinrichtung 125 ist ausgebildet, um ein mit einer Schwingung um einen Sollwert schwingendes Anregungssignal 140 an eine Schnittstelle zu einem Dosierventil 145 zum Dosieren von Wasserstoff H2 an die Anode 115 auszugeben, wobei das Anregungssignal 140 ausgebildet ist, um einen um einen Solldruck schwingenden Istdruck an der Anode 115 zu erzeugen. Die Einleseeinrichtung 130 ist ausgebildet, um ein Drucksignal 150 über eine Schnittstelle zu einem Drucksensor 155 zum Erfassen des Istdrucks an oder im Bereich der Anode 115 einzulesen. Die Ermittlungseinrichtung 135 ist ausgebildet, um die Leckage von Anodengas unter Verwendung des Istdrucks und/oder des Anregungssignals 140 zu ermitteln. The device 105 has an output device 125, a reading device 130 and a determination device 135. The output device 125 is designed to output an excitation signal 140 that oscillates around a setpoint to an interface to a metering valve 145 for metering hydrogen H2 to the anode 115, the excitation signal 140 being designed to produce an actual pressure that oscillates around a setpoint pressure the anode 115 to generate. The reading device 130 is designed to read a pressure signal 150 via an interface to a pressure sensor 155 for detecting the actual pressure at or in the area of the anode 115. The determination device 135 is designed to determine the leakage of anode gas using the actual pressure and/or the excitation signal 140.
Lediglich beispielhaft ist die Vorrichtung 100 gemäß diesem Ausführungsbeispiel in ein Brennstoffzellensteuergerät 160 zum Ansteuern der Brennstoffzelle 105 integriert. Das Brennstoffzellensteuergerät 160, das auch als „Kontrollgerät“ bezeichnet werden kann, und/oder die Vorrichtung 100 ist gemäß diesem Ausführungsbeispiel über einen CAN-Bus CAN mit einem Fahrzeugsteuergerät 165 des Fahrzeugs 110 signaltechnisch verbunden. Merely as an example, the device 100 according to this exemplary embodiment is integrated into a fuel cell control device 160 for controlling the fuel cell 105. According to this exemplary embodiment, the fuel cell control device 160, which can also be referred to as a “control device”, and/or the device 100 is connected in terms of signals via a CAN bus CAN to a vehicle control device 165 of the vehicle 110.
Die Vorrichtung 100 kann zusammen mit der Brennstoffzelle 105 und dem Dosierventil 145 auch als ein Brennstoffzellensystem 168 bezeichnet werden. Das Brennstoffzellensystem 168 umfasst lediglich optional gemäß diesem Ausführungsbeispiel ferner den Drucksensor 155, eine Zuleitung 170 zum Zuführen von Wasserstoff Fb aus einem Wasserstofftank, ein Systemtrennventil 172 zum Trennen oder Herstellen einer Verbindung zwischen der Zuleitung 170 und dem Dosierventil 145, eine Strahlpumpe 175 zum Fördern des Wasserstoffs H2 zu der Anode 115, einen Wasserabscheider 177 zum Abscheiden von Wasser von der Anode 115 zu einem Abgassystem 178 des Fahrzeugs 110 oder zum Abscheiden von Wasserstoff H2 aus dem Wasser zurück zu der Strahlpumpe 175, ein zwischen dem Wasserabscheider 177 und dem Abgassystem 178 angeordnetes Entlüftungsventil 180, ein zwischen dem Wasserabscheider 177 und dem Abgassystem 178 angeordnetes Ablassventil 182, ein Gehäuse 185 zur Aufnahme der Brennstoffzelle 105, einer Kühleinrichtung 187 zum Kühlen der Brennstoffzelle 105 beispielsweise mittels eines Kühlmittels und/oder eines elektrischen Terminals 190 und/oder einen mit der Kathode 120 fluidisch verbundenen Abgaspfad 192 zu dem Abgassystem 178 zum Abgeben von Wasserstoff H2 an eine Umgebung auf. Die Zuleitung 170, das Systemtrennventil 172, das Dosierventil 145, die Strahlpumpe 175, der Wasserabscheider 177, das Entlüftungsventil 180, das Ablassventil 182 und/oder die Anode 115 sind gemäß diesem Ausführungsbeispiel Teil eines Anoden-Subsystems der Brennstoffzelle 105. Die Kathode 120, der Abgaspfad 192 und/oder das Abgassystem 178 sind gemäß diesem Ausführungsbeispiel Teil eines Kathoden-Subsystems der Brennstoffzelle 105. Der Drucksensor 155 ist gemäß diesem Ausführungsbeispiel lediglich beispielhaft an einem Anodeneingang der Anode 115 angeordnet. Gemäß einem alternativen Ausführungsbeispiel ist der Drucksensor 155 oder zumindest ein entsprechender weiterer Drucksensor an dem Entlüftungsventil 180, Ablassventil 182 und/oder der Kühleinrichtung 187 angeordnet. The device 100, together with the fuel cell 105 and the metering valve 145, can also be referred to as a fuel cell system 168. The fuel cell system 168 only optionally according to this exemplary embodiment further comprises the pressure sensor 155, a supply line 170 for supplying hydrogen Fb from a hydrogen tank, a system isolation valve 172 for separating or establishing a connection between the supply line 170 and the metering valve 145, a jet pump 175 for conveying the Hydrogen H2 to the anode 115, a water separator 177 for separating water from the anode 115 to an exhaust system 178 of the vehicle 110 or for separating hydrogen H2 from the water back to the jet pump 175, a vent valve 180 arranged between the water separator 177 and the exhaust system 178, a drain valve 182 arranged between the water separator 177 and the exhaust system 178, a housing 185 for receiving the fuel cell 105, a cooling device 187 for cooling the fuel cell 105, for example by means of a coolant and / or an electrical terminal 190 and / or an exhaust gas path 192 fluidly connected to the cathode 120 to the exhaust system 178 for releasing hydrogen H2 to an environment. According to this exemplary embodiment, the supply line 170, the system isolation valve 172, the metering valve 145, the jet pump 175, the water separator 177, the vent valve 180, the drain valve 182 and/or the anode 115 are part of an anode subsystem of the fuel cell 105. The cathode 120, According to this exemplary embodiment, the exhaust gas path 192 and/or the exhaust gas system 178 are part of a cathode subsystem of the fuel cell 105. According to this exemplary embodiment, the pressure sensor 155 is arranged at an anode input of the anode 115 merely as an example. According to an alternative exemplary embodiment, the pressure sensor 155 or at least one corresponding further pressure sensor is arranged on the vent valve 180, drain valve 182 and/or the cooling device 187.
Die Brennstoffzelle 105 weist gemäß einem Ausführungsbeispiel eine zwischen der Anode 115 und der Kathode 120 angeordnete Membran, beispielsweise eine sogenannte „Polymer Elektrolyt Membran“, kurz „PEM“, auf. Zwischen der Anode 115 und der Kathode 120 herrscht gemäß einem Ausführungsbeispiel im Betrieb der Brennstoffzelle 105 eine definierte Druckdifferenz. Das Brennstoffzellensystem 168 umfasst gemäß diesem Ausführungsbeispiel eine Mehrzahl der Brennstoffzellen 105, sogenannte „Stacks“. Bei der Anode 115 handelt es sich entsprechend gemäß einem Ausführungsbeispiel um einen Stack von Anoden und/oder bei der Kathode 120 um einen Stack von Kathoden. Das Anodengas weist gemäß unterschiedlichen Ausführungsbeispielen Wasserstoff H2, Stickstoff und/oder Wasserdampf auf. Die Vorrichtung 100 ermöglicht es vorteilhafterweise, eine externe und interne Leckage im Anodenpfad der Brennstoffzelle 105 zu erkennen. Beispielsweise wurde die Leckage durch eine undichte Stelle an oder in der Brennstoffzelle 105 bewirkt, oder dadurch, dass andere Komponenten des Brennstoffzellensystems 168 undicht sind, wie z. B. das Entlüftungsventil 180/Purge-Ventil oder Ablassventil 182/Drain-Ventil, oder eine Schnittstelle zu einem Sensor. Die Vorrichtung 100 ermöglicht das Erkennen von Leckagen nach extern oder in einen Kühlmittelpfad, ohne differenzieren zu können. Zusätzlich oder alternativ ermöglicht die Vorrichtung 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel das Erkennen von Leckagen von Komponenten des Brennstoffzellensystems 168 im Anodenkreis. Das Dosierventil 145, hier in Form eines Wasserstoffdosierventils, ist gemäß diesem Ausführungsbeispiel ausgebildet, um Wasserstoffgas an die Anode 115 zu dosieren. Der Sollwert repräsentiert einen stationären Wert zur Ansteuerung des Dosierventils 145 im Betrieb der Wasserstoff zelle 105. Die Schwingung des Ansteuersignals 140 ist ausgebildet, um diesen Sollwert zu überlagern, um den Istdruck zu erzeugen. Als Istdruck ist der Solldruck zusammen mit einer durch die Schwingung erzeugten Druckreaktion/-schwingung zu verstehen, die auch als „Rippel“ bezeichnet werden kann. Die Ausgabeeinrichtung 125 ist gemäß diesem Ausführungsbeispiel ausgebildet, um das Anregungssignal 140 auszugeben, dessen Schwingung eine bestimmte Schwingungscharakteristik zur Erzeugung des Istdrucks aufweist. Beispielsweise ist das Anregungssignal 140 gemäß einem Ausführungsbeispiel ausgebildet, um eine Solldruckanforderung an einen Prozessdruck in der Brennstoffzelle 105 anodenseitig mit einer gezielt angeregten Über- und/oder Unterschwingung im Druck zu bewirken. Die Einleseeinrichtung 130 ist gemäß einem Ausführungsbeispiel ausgebildet, um das Drucksignal 150 von der Schnittstelle zu dem Drucksensor 155 einzulesen, der angeordnet ist, um den Istdruck an einem Anodeneingang der Anode 115 zu erfassen und für die Einleseeinrichtung 130 bereitzustellen. According to one exemplary embodiment, the fuel cell 105 has a membrane arranged between the anode 115 and the cathode 120, for example a so-called “polymer electrolyte membrane”, “PEM” for short. According to one exemplary embodiment, there is a defined pressure difference between the anode 115 and the cathode 120 during operation of the fuel cell 105. According to this exemplary embodiment, the fuel cell system 168 includes a plurality of fuel cells 105, so-called “stacks”. According to one exemplary embodiment, the anode 115 is a stack of anodes and/or the cathode 120 is a stack of cathodes. According to different exemplary embodiments, the anode gas has hydrogen H2, nitrogen and/or water vapor. The device 100 advantageously makes it possible to detect external and internal leakage in the anode path of the fuel cell 105. For example, the leak was caused by a leak on or in the fuel cell 105, or by other components of the fuel cell system 168 leaking, such as. B. the vent valve 180/purge valve or drain valve 182/drain valve, or an interface to a sensor. The device 100 enables leaks to be detected externally or in a coolant path without being able to differentiate. Additionally or alternatively, the device 100 according to an exemplary embodiment enables the detection of leaks from components of the fuel cell system 168 in the anode circuit. The metering valve 145, here in the form of a hydrogen metering valve, is designed according to this exemplary embodiment to meter hydrogen gas to the anode 115. The setpoint represents a stationary value for controlling the metering valve 145 during operation of the hydrogen cell 105. The oscillation of the control signal 140 is designed to superimpose this setpoint in order to generate the actual pressure. The actual pressure is the target pressure together with a pressure reaction/oscillation generated by the vibration, which can also be referred to as a “ripple”. The output device 125 is designed according to this exemplary embodiment to output the excitation signal 140, the oscillation of which has a specific oscillation characteristic for generating the actual pressure. For example, according to an exemplary embodiment, the excitation signal 140 is designed to bring about a target pressure request for a process pressure in the fuel cell 105 on the anode side with a specifically excited overshoot and/or undershoot in the pressure. The reading device 130 is designed according to an exemplary embodiment to read the pressure signal 150 from the interface to the pressure sensor 155, which is arranged to detect the actual pressure at an anode input of the anode 115 and to provide it to the reading device 130.
Gezeigt ist in Fig. 1 das Brennstoffzellensystem 168 mit der Vorrichtung 100, die zur Durchführung eines Verfahrens zur Bestimmung einer Leckage von Anodengas, das beispielsweise Wasserstoff H2 aufweist, ausgebildet ist. Das Brennstoffzellensystem 168 ist gemäß diesem Ausführungsbeispiel als ein sogenanntes „Polymer Elektrolyt Membran“-Brennstoffzellensystem ausgeformt, das ausgebildet ist, um Wasserstoff H2 mittels Sauerstoff zu elektrischer Energie umzuwandeln, unter der Erzeugung von Abwärme und Wasser. Die PEM- Brennstoffzelle 168 besteht hierbei aus einer Anode 115, die mit Wasserstoff H2 versorgt wird, einer Kathode 120, die mit Luft versorgt wird, und der gemäß diesem Ausführungsbeispiel dazwischen platzierten Polymer Elektrolyt Membran. Mehrere solcher einzelnen Brennstoffzellen 105 sind gemäß einem Ausführungsbeispiel in der praktischen Anwendung gestapelt angeordnet, um die elektrische erzeugte Spannung zu erhöhen. Innerhalb dieses Stapels, genannt „Stack“, befinden sich gemäß einem Ausführungsbeispiel Versorgungskanäle, die die einzelnen Zellen mit Wasserstoff H2 und Luft versorgen und/oder die abgereicherte feuchte Luft sowie das abgereicherte Anodenabgas abtransportieren. Shown in Fig. 1 is the fuel cell system 168 with the device 100, which is designed to carry out a method for determining a leakage of anode gas, which contains, for example, hydrogen H2. According to this exemplary embodiment, the fuel cell system 168 is formed as a so-called “polymer electrolyte membrane” fuel cell system, which is designed to convert hydrogen H2 into electrical energy using oxygen, generating waste heat and water. The PEM fuel cell 168 consists of an anode 115, which is supplied with hydrogen H2, a cathode 120, which is supplied with air, and the polymer electrolyte membrane placed between them according to this exemplary embodiment. Several such individual fuel cells 105 are according to one Embodiment in practical application arranged stacked in order to increase the electrical voltage generated. According to one exemplary embodiment, within this stack, called “stack”, there are supply channels which supply the individual cells with hydrogen H2 and air and/or transport away the depleted moist air and the depleted anode exhaust gas.
Systemisch hat sich bei bekannten Systemen zur Versorgung der PEM Anode mit Wasserstoff ein Ansatz etabliert, bei dem das noch wasserstoffreiche Anodenabgas mittels Gasfördereinheiten zusammen mit frischem Wasserstoff wieder dem Anodeneintritt zugeführt wird. Man spricht von Rezirkulation. In known systems for supplying the PEM anode with hydrogen, an approach has been established in which the anode exhaust gas, which is still hydrogen-rich, is fed back to the anode inlet using gas delivery units together with fresh hydrogen. This is called recirculation.
Als Gasfördereinheiten werden gemäß unterschiedlichen Ausführungsbeispielen die Strahlpumpe 175, auch „Jetpump“ genannt, oder Hybridlösungen aus Jetpump und Wasserstoffgebläse verwendet. Gemäß einem Ausführungsbeispiel wird im Betrieb des Brennstoffzellensystems 168 der Prozessdruck in dem Brennstoffzellensystem 168 lastabhängig variiert und es besteht eine Druckdifferenz zwischen Anode 115 und Kathode 120 mit einem Überdruck im Betrieb Anode 115 gegenüber Kathode 120. Lastanforderungsänderungen an das Brennstoffzellensystem 168, die durch externe Anforderungen z. B. durch das Fahrzeug 110 oder eine stationäre Anwendung erfolgt, sind insbesondere in Dauer, Höhe und Zeitpunkt oftmals nicht vorhersehbar. Damit sind auch Druckwechsel beliebig. According to different exemplary embodiments, the gas delivery units used are the jet pump 175, also called “jet pump”, or hybrid solutions consisting of a jet pump and a hydrogen blower. According to one exemplary embodiment, during operation of the fuel cell system 168, the process pressure in the fuel cell system 168 is varied depending on the load and there is a pressure difference between anode 115 and cathode 120 with an overpressure during operation of anode 115 compared to cathode 120. Changes in load requirements to the fuel cell system 168, which are caused by external requirements, e.g . B. by the vehicle 110 or a stationary application, are often unpredictable, especially in terms of duration, amount and time. This means that pressure changes are also possible.
Als Ursache für Schädigungsmechanismen für einen Brennstoffzellenstapel sind insbesondere Verarmung an Edukten ursächlich. Vor allem anodenseitig führt Verarmung an Wasserstoff H2 sehr schnell zu irreversiblen Beschädigungen in der Membran-Elektrodeneinheit, kurz „MEA“, der Wasserstoffzelle 105. Die Erkennung einer Beschädigung erfolgt unter Verwendung der hier vorgestellten Vorrichtung 100 vorteilhafterweise ohne voltmetrische Einzelzellspannungsüberwachung. Diese wäre aufwendig, teuer und für die erforderliche Sicherheitsgüte und -integrität momentan nicht über Lebensdauer am Markt erhältlich. Das hier vorgestellte Brennstoffzellensystem 168 kommt ferner ohne eine aktive Rezirkulation mittels Rezirkulationsgebläse, kurz „ARB“, aus. Die Vorrichtung 100 ermöglicht es vorteilhafterweise, eine Leckage zwischen Anoden- und Kathodenseite in einem Brennstoffzellensystem 168 zu bewerten, ohne die Methode der voltmetrischen Einzelzellspannungsüberwachung oder andere Sensorik/Aktorik wie z. B. „ARB“ zu verwenden. Vielmehr ermöglicht es die Vorrichtung 100, eine Solldruckanforderung an den Prozessdruck im Brennstoffzellensystem 168 anodenseitig mit einer gezielt angeregten Über- und Unterschwingung im Druck einzustellen. Dazu erfolgt gemäß diesem Ausführungsbeispiel mittels des Anregungssignals 140 von der Vorrichtung 100 im vorgeschlagenen Brennstoffzellensystem 168 eine Ansteuerstromschwingung in Form von Spannungs- und/oder Stromänderungen auf das Dosierventil 145, das auch als „Hydrogen Gas Injektor“ bezeichnet werden kann. The main cause of damage to a fuel cell stack is depletion of educts. Especially on the anode side, depletion of hydrogen H2 very quickly leads to irreversible damage in the membrane electrode unit, “MEA” for short, of the hydrogen cell 105. Damage is detected using the device 100 presented here, advantageously without voltmetric individual cell voltage monitoring. This would be complex, expensive and currently not available on the market over the lifespan for the required safety quality and integrity. The fuel cell system 168 presented here also does not require active recirculation using a recirculation blower, “ARB” for short. The device 100 advantageously makes it possible to evaluate a leak between the anode and cathode sides in a fuel cell system 168 without the method of voltmetric single cell voltage monitoring or other sensors/actuators such as. E.g. to use “ARB”. Rather, the device 100 makes it possible to set a target pressure requirement for the process pressure in the fuel cell system 168 on the anode side with a specifically excited overshoot and undershoot in the pressure. For this purpose, according to this exemplary embodiment, by means of the excitation signal 140 from the device 100 in the proposed fuel cell system 168, a control current oscillation in the form of voltage and / or current changes occurs on the metering valve 145, which can also be referred to as a “hydrogen gas injector”.
Fig. 2 zeigt ein Diagramm, in dem beispielhaft Verläufe eines Anregungssignals 140 und eines Drucksignals 150 über die Zeit t aufgetragen sind. Dabei kann es sich um Ausführungsbeispiele der in Fig. 1 beschriebenen Signale handeln. 2 shows a diagram in which, as an example, curves of an excitation signal 140 and a pressure signal 150 are plotted over time t. These can be exemplary embodiments of the signals described in FIG. 1.
Die Schwingung 200 des Anregungssignals 140, das einen Ansteuerstrom des Dosierventils repräsentiert, verläuft gemäß diesem Ausführungsbeispiel annähernd sinusförmig, oder gemäß einem alternativen Ausführungsbeispiel rechtecks- oder sägezahnförmig, um den Sollwert 205, der auch als ein „stationärer Wert“ bezeichnet werden kann. Diese sinus-, oder alternativ rechtecks- oder sägezahnförmige Schwingung 200 führt zu einer periodischen Druckschwingung 210 in der Anode als Druckantwort, welche über das Drucksignal 150 erkennbar ist. Diese Druckschwingung 210 schwingt gemäß diesem Ausführungsbeispiel um einen stationären Solldruck 215, welcher zusammen mit der Druckschwingung 210 den Istdruck 218 des Drucksignals 150 repräsentiert. The oscillation 200 of the excitation signal 140, which represents a control current of the metering valve, is approximately sinusoidal according to this exemplary embodiment, or rectangular or sawtooth-shaped according to an alternative exemplary embodiment, around the setpoint 205, which can also be referred to as a “steady value”. This sinusoidal, or alternatively rectangular or sawtooth-shaped, oscillation 200 leads to a periodic pressure oscillation 210 in the anode as a pressure response, which can be recognized via the pressure signal 150. According to this exemplary embodiment, this pressure oscillation 210 oscillates around a stationary target pressure 215, which, together with the pressure oscillation 210, represents the actual pressure 218 of the pressure signal 150.
Gezeigt sind in Fig. 2 ferner Amplituden 220, eine Periodendauer 225, ein Druckgradient Ap/At und ein Stromgradient Al/At. In einem ersten Bereich 230 ist im Betrieb des Brennstoffzellensystems ein geringerer Prozessdruck in dem Brennstoffzellensystem lastabhängig realisiert als in einem zweiten Bereich 235. Lastanforderungsänderungen an das Brennstoffzellensystem erfolgen durch externe Anforderungen z. B. durch das Fahrzeug 110 oder eine stationäre Anwendung, und sind insbesondere in Dauer, Höhe und Zeitpunkt oftmals nicht vorhersehbar. Also shown in FIG. 2 are amplitudes 220, a period 225, a pressure gradient Ap/At and a current gradient Al/At. In a first area 230, a lower process pressure in the fuel cell system is realized depending on the load during operation of the fuel cell system than in a second area 235. Changes in load requirements for the fuel cell system occur due to external requirements, e.g. B. by the vehicle 110 or a stationary one Application, and are often unpredictable, especially in terms of duration, amount and timing.
Die Schwingung 200 des Anregungssignals 140 ist gemäß diesem Ausführungsbeispiel ausgebildet ist, um eine Spannungs- und/oder Stromänderung auf das Dosierventil zu bewirken, um den um den Solldruck 215 schwingenden Istdruck 218 an der Anode zu erzeugen. The oscillation 200 of the excitation signal 140 is designed according to this exemplary embodiment to cause a voltage and/or current change on the metering valve in order to generate the actual pressure 218 at the anode which oscillates around the target pressure 215.
Die Ermittlungseinrichtung der anhand von Fig. 1 beschriebenen Vorrichtung ist gemäß einem Ausführungsbeispiel ausgebildet, um einen Vergleich zwischen einem Verlauf des Istdrucks 218 und einem Referenzverlauf eines Referenzdrucks durchzuführen, um die Leckage zu ermitteln. Der Referenzverlauf des Referenzdrucks ist gemäß einem Ausführungsbeispiel vorbestimmt oder ein mittels der Vorrichtung aus einer vorangegangenen Messung erhaltener Referenzverlauf. Als vorbestimmter Referenzverlauf des Referenzdrucks ist der Referenzverlauf gemäß einem Ausführungsbeispiel in einer Speichereinheit der Vorrichtung 100 als ein bekannter Referenzverlauf hinterlegt und/oder abrufbar, welcher beispielsweise einen zu erwartenden Verlauf bei einer intakten Brennstoffzelle ohne Leckage repräsentiert. Der Verlauf repräsentiert gemäß diesem Ausführungsbeispiel einen Druckanstiegs- und/oder Druckabfallsverlauf des Istdrucks 218. The determination device of the device described with reference to FIG. 1 is designed according to an exemplary embodiment to carry out a comparison between a course of the actual pressure 218 and a reference course of a reference pressure in order to determine the leakage. According to one exemplary embodiment, the reference curve of the reference pressure is predetermined or a reference curve obtained from a previous measurement using the device. As a predetermined reference curve of the reference pressure, the reference curve according to an exemplary embodiment is stored and/or retrievable in a storage unit of the device 100 as a known reference curve, which represents, for example, an expected curve in an intact fuel cell without leakage. According to this exemplary embodiment, the course represents a pressure increase and/or pressure drop course of the actual pressure 218.
Beispielsweise ist die Ermittlungseinrichtung ausgebildet, um die Leckage von Anodengas zu ermitteln, wenn der Verlauf des Istdrucks 218 von dem Referenzverlauf des Referenzdrucks abweicht. Beispielsweise ist die Ermittlungseinrichtung ferner ausgebildet, um keine Leckage von Anodengas, also eine intakte Brennstoffzelle, zu ermitteln, wenn bei beispielsweise mehreren Messungen der Druckanstiegsverlauf und/oder Druckabfallverlauf nach Bereitstellen des Anregungssignals 140 gleich ist, oder der Verlauf des Istdrucks 218 mit dem Referenzverlauf des Referenzdrucks übereinstimmt. Ist der Druckanstiegsverlauf und/oder Druckabfallverlauf hingegen beispielsweise geringer beim Druckanstieg und/oder größer im Druckabfall, wird gemäß einem Ausführungsbeispiel erkannt, dass irgendwo Gas verloren gegangen sein muss, also eine Leckage vorliegt. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel ist die Einleseeinrichtung der Vorrichtung ausgebildet, um das Drucksignal 150 einzulesen, das einen Druckverlauf des Istdrucks 218 repräsentiert, wobei die Ermittlungseinrichtung ausgebildet ist, um die Leckage von Anodengas unter Verwendung eines Druckanstiegs und/oder Druckabfalls und/oder einer Amplitude 220 des Istdrucks 218 zu ermitteln. Hierbei kann beispielsweise im Schritt des Ermittelns die Leckage von Anodengas unter Verwendung eines definierten Druckanstiegs und/oder definierten Druckabfalls und/oder einer definierten Amplitude des Istdrucks 218 ermittelt werden. So kann die Leckage beispielsweise schnell und einfach erkannt werden, wenn als der Druckanstieg und/oder Druckabfall und/oder die Amplitude 220 der definierte Druckanstieg und/oder definierte Druckabfall und/oder die definierte Amplitude ermittelt wird. For example, the determination device is designed to determine the leakage of anode gas when the course of the actual pressure 218 deviates from the reference course of the reference pressure. For example, the determination device is further designed to detect no leakage of anode gas, i.e. an intact fuel cell, if, for example, in several measurements, the pressure increase curve and/or pressure drop curve after providing the excitation signal 140 is the same, or the curve of the actual pressure 218 is the same as the reference curve of the Reference pressure matches. If, on the other hand, the pressure increase curve and/or pressure drop curve is, for example, smaller in the pressure increase and/or larger in the pressure drop, it is recognized according to one exemplary embodiment that gas must have been lost somewhere, i.e. there is a leak. According to this exemplary embodiment, the reading device of the device is designed to read the pressure signal 150, which represents a pressure curve of the actual pressure 218, the determining device being designed to detect the leakage of anode gas using a pressure increase and/or pressure drop and/or an amplitude 220 of the Actual pressure 218 to be determined. Here, for example, in the step of determining, the leakage of anode gas can be determined using a defined pressure increase and/or a defined pressure drop and/or a defined amplitude of the actual pressure 218. For example, the leak can be detected quickly and easily if the defined pressure increase and/or defined pressure drop and/or the defined amplitude is determined as the pressure increase and/or pressure drop and/or the amplitude 220.
Gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel ist die Ausgabeeinrichtung der Vorrichtung ausgebildet, um das Anregungssignal 140 auszugeben, das ausgebildet ist, um den Istdruck 218 mit einer vorbestimmten Druckcharakteristik an der Anode zu erzeugen, wobei die Ermittlungseinrichtung ausgebildet ist, um einen Vergleich zwischen der Schwingung 200 des Anregungssignals 140 und einer Referenzschwingung eines Referenzanregungssignals durchzuführen, um die Leckage zu ermitteln. Die vorbestimmte Druckcharakteristik des Istdrucks 218 repräsentiert gemäß einem Ausführungsbeispiel einen vorbestimmten Druckverlauf des Istdrucks 218, beispielsweise einen Verlauf eines Druckanstiegs und/oder Druckabfalls des Istdrucks 218. Das Referenzanregungssignal kann ein zu einem sich von der Ausgabe des Anregungssignals 140 unterscheidenden, beispielsweise vorangegangenen, Zeitpunkt ausgegebenes Anregungssignal sein. So wird beispielsweise gemäß einem Ausführungsbeispiel die Leckage ermittelt, wenn zur Erzeugung des Istdrucks 218 an der Anode mit der Zeit Anregungssignale 140 mit unterschiedlichen Schwingungen 200 erforderlich sind, also eine Änderung in dem Anregungssignal 140 erforderlich ist, um den vorbestimmten Druckverlauf des Istdrucks 218 zu erreichen. According to another exemplary embodiment, the output device of the device is designed to output the excitation signal 140, which is designed to generate the actual pressure 218 with a predetermined pressure characteristic at the anode, the determining device being designed to make a comparison between the oscillation 200 of the excitation signal 140 and a reference oscillation of a reference excitation signal to determine the leakage. According to one exemplary embodiment, the predetermined pressure characteristic of the actual pressure 218 represents a predetermined pressure curve of the actual pressure 218, for example a curve of a pressure increase and/or pressure drop of the actual pressure 218. The reference excitation signal can be output at a point in time that differs from the output of the excitation signal 140, for example a previous time Be an excitation signal. For example, according to one exemplary embodiment, the leakage is determined if excitation signals 140 with different oscillations 200 are required to generate the actual pressure 218 at the anode over time, i.e. a change in the excitation signal 140 is required in order to achieve the predetermined pressure profile of the actual pressure 218 .
Weiterhin ist die Einleseeinrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel ausgebildet, um ferner eine Temperatur und/oder Konzentration eines Anodengases der Anode einzulesen, wobei die Ermittlungseinrichtung ausgebildet ist, um die Leckage von Anodengas unter Verwendung ferner der Temperatur und/oder Konzentration zu ermitteln. Furthermore, the reading device is designed according to an exemplary embodiment to further read a temperature and/or concentration of an anode gas of the anode, wherein the determining device is designed to determine the leakage of anode gas using also the temperature and / or concentration.
Die überlagerte Änderung im Ansteuerstrom in Form der Schwingung 200 ist gemäß unterschiedlichen Ausführungsbeispielen zum Beispiel sinus-, rechtecks-, oder sägezahnförmig. Dies führt zu der periodischen Druckschwingung 210 im Anodensystem als Sprungantwort. Die Grenzen, in denen sich die Schwingung 200 bewegt, sind gemäß einem Ausführungsbeispiel hauptsächlich vom Differenzdruck zwischen Anode und Kathode limitiert und bewegen sich gemäß diesem Ausführungsbeispiel zwischen wenigen Millibar, beispielsweise 10 mbar, und bis zu einem Bar. Unter Ausnutzung der Grenzen ist die Auflösung und/oder Erkenngenauigkeit und die Abtastrate gemäß einem Ausführungsbeispiel gezielt beeinflussbar. Die beiden Ziele verhalten sich gemäß einem Ausführungsbeispiel reziprok. According to different exemplary embodiments, the superimposed change in the drive current in the form of the oscillation 200 is, for example, sinusoidal, rectangular or sawtooth-shaped. This leads to the periodic pressure oscillation 210 in the anode system as a step response. The limits within which the vibration 200 moves are, according to one exemplary embodiment, mainly limited by the differential pressure between the anode and cathode and, according to this exemplary embodiment, range between a few millibars, for example 10 mbar, and up to one bar. The resolution is made using the limits and/or detection accuracy and the sampling rate can be specifically influenced according to one exemplary embodiment. According to one exemplary embodiment, the two goals behave reciprocally.
Gemessen werden der Druckanstiegs- und Abfallsverlauf Ap/At und die Amplitude 220 anhand des Drucksignals 150 des Drucksensors am Eingang der Anodenseite. The pressure rise and fall curve Ap/At and the amplitude 220 are measured using the pressure signal 150 of the pressure sensor at the entrance to the anode side.
Der Druckanstiegs- und Abfallsverlauf und die Amplitude 220 in der Anode des Brennstoffzellensystems auf vorgegebene Ansteuerstromschwingungen 200 sind für ein optimal funktionierendes System gemäß einem Ausführungsbeispiel bekannt. In der Vorrichtung oder gemäß einem Ausführungsbeispiel in dem Brennstoffzellensteuergerät/Kontrollgerät, engl. „Fuel Cell Control Unit“, kurz „FCCU“, werden diese Informationen abgeglichen und bewertet. Bei sonst gleichen Einstellungen und/oder gleichem Verbrauch von Wasserstoff H2 zwischen zwei Messungen sollte der Verlauf des Druckanstiegs bzw. -abfalls bei intakter Brennstoffzelle gleich sein. Ist er geringer beim Druckanstieg und/oder größer im Druckabfall, muss irgendwo Gas verloren gegangen sein. The pressure rise and fall curve and the amplitude 220 in the anode of the fuel cell system to predetermined control current oscillations 200 are known for an optimally functioning system according to an exemplary embodiment. In the device or according to an exemplary embodiment in the fuel cell control device/monitoring device, English. “Fuel Cell Control Unit”, or “FCCU” for short, this information is compared and evaluated. With otherwise the same settings and/or the same consumption of hydrogen H2 between two measurements, the course of the pressure increase or decrease should be the same with an intact fuel cell. If it is lower when the pressure increases and/or larger when the pressure drops, gas must have been lost somewhere.
Die Leckagerate in einem neuen optimal funktionierenden Brennstoffzellensystem liegt beispielsweise zwischen 1000 und 4000 Nccm/h zwischen Anode und Kathode bei 300 mbar Druckdifferenz. Hat z. B. die Membran der Brennstoffzelle ein Loch oder ist die Anode nach außen oder ins Kühlmittel undicht, steigt diese Leckrate an. Löcher in der Größenordnung von beispielsweise 0,1 mm haben einen Beitrag zum Wasserstoff-Verlust von ca. 10000 Nccm/h. Dies führt beispielsweise in dem Brennstoffzellensystem zu einer Druckänderung von 11 mbar in einer Sekunde in dem Brennstoffzellensystem gegenüber einem Brennstoffzellensystem ohne Loch. The leakage rate in a new, optimally functioning fuel cell system is, for example, between 1000 and 4000 Nccm/h between anode and cathode at a pressure difference of 300 mbar. Has e.g. For example, if the membrane of the fuel cell has a hole or the anode is leaking to the outside or into the coolant, this leak rate increases. Holes of the order of 0.1 mm, for example, contribute to the hydrogen loss of approximately 10,000 Nccm/h. This leads, for example, to a pressure change of 11 mbar in one second in the fuel cell system compared to a fuel cell system without a hole.
Alternativ wird gemäß einem Ausführungsbeispiel die Druckschwingung 210 z. B. mittels Zweipunktregler erzeugt, der mit definierter Abweichung um den Solldruck 215 regelt, sozusagen wird die Amplitude 220 der Druckschwingung 210 vorgegeben. Als Maß für die Sprungantwort wird gemäß einem solchen Ausführungsbeispiel der benötigte Ansteuerstrom des Wasserstoffdosierventils benutzt. Alternatively, according to one embodiment, the pressure oscillation 210 z. B. generated by means of a two-point controller, which regulates with a defined deviation around the target pressure 215, so to speak the amplitude 220 of the pressure oscillation 210 is specified. According to such an exemplary embodiment, the required control current of the hydrogen metering valve is used as a measure for the step response.
Die Methodik der Vorrichtung wird gemäß einem Ausführungsbeispiel in der Start- und/oder Abstellphase des Brennstoffzellensystems verwendet, in der gemäß einem Ausführungsbeispiel bei jeder Start- und/oder Stoppanforderung eine Sprungantwort des Anodendrucks ausgewertet wird. According to one exemplary embodiment, the methodology of the device is used in the start and/or shutdown phase of the fuel cell system, in which, according to one exemplary embodiment, a step response of the anode pressure is evaluated for each start and/or stop request.
Zur Verbesserung der Erkennungsgüte wird gemäß einem Ausführungsbeispiel zusätzlich die Temperatur und/oder die Konzentration des Anodengases hinzugezogen. To improve the quality of detection, according to one exemplary embodiment, the temperature and/or the concentration of the anode gas is also taken into account.
Zusammengefasst ist das Brennstoffzellensystem für stationäre und mobile Anwendungen geeignet und kommt ohne spezielle Sensorik wie ein „ARB“ oder Zentivoltmeter, kurz „CVM“, zur Überwachung der Leckage Anodenseite gegenüber Kathodenseite, nach außen oder in den Kühlmittelpfad aus. Das Vermeiden und Erkennen von Anodengas-Leckagen, beispielsweise Wasserstoff-Leckagen, sind Sicherheitsziele im Brennstoffzellensystem. In summary, the fuel cell system is suitable for stationary and mobile applications and does not require special sensors such as an “ARB” or centivoltmeter, or “CVM” for short, to monitor the leakage from the anode side to the cathode side, to the outside or into the coolant path. Avoiding and detecting anode gas leaks, such as hydrogen leaks, are safety goals in the fuel cell system.
Dank der Vorrichtung sind eine höhere Effizienz, eine höhere Lebensdauer und Energiedichte des Brennstoffzellensystems bei sinkenden Kosten ermöglicht. Die Vorrichtung kann ohne zusätzliche Sensorik während der gesamten Lebensdauer des Betriebs verwendet werden. Damit wird das Brennstoffzellensystem im Betrieb optimal über seine Lebensdauer ausgenutzt und der Wirkungsgrad über Lebensdauer erhöht. Thanks to the device, higher efficiency, a longer service life and energy density of the fuel cell system are possible while reducing costs. The device can be used throughout the service life without additional sensors. This will do it Fuel cell system is optimally utilized during operation over its service life and the efficiency is increased over its service life.
Fig. 3 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens 300 gemäß einem Ausführungsbeispiel zum Erkennen einer Leckage von Anodengas in zumindest einer Brennstoffzelle mit einer Anode und einer Kathode. Dabei kann es sich um ein Verfahren 300 handeln, das von der anhand der vorangegangenen Figuren beschriebenen Vorrichtung ausführbar oder ansteuerbar ist. 3 shows a flowchart of a method 300 according to an exemplary embodiment for detecting a leakage of anode gas in at least one fuel cell with an anode and a cathode. This can be a method 300 that can be carried out or controlled by the device described with reference to the previous figures.
Das Verfahren 300 weist einen Schritt 305 des Ausgebens, einen Schritt 310 des Einlesens und einen Schritt 315 des Ermittelns auf. Im Schritt 305 des Ausgebens wird ein mit einer Schwingung um einen Sollwert schwingendes Anregungssignal an eine Schnittstelle zu einem Dosierventil zum Dosieren von Wasserstoff an die Anode ausgegeben, wobei das Anregungssignal ausgebildet ist, um einen um einen Solldruck schwingenden Istdruck an der Anode zu erzeugen. Im Schritt 310 des Einlesens wird ein Drucksignal über eine Schnittstelle zu einem Drucksensor zum Erfassen des Istdrucks an der Anode eingelesen. Im Schritt 315 des Ermittelns wird die Leckage von Anodengas unter Verwendung des Istdrucks und/oder des Anregungssignals ermittelt. The method 300 has a step 305 of outputting, a step 310 of reading in and a step 315 of determining. In step 305 of output, an excitation signal oscillating around a setpoint is output to an interface to a metering valve for metering hydrogen to the anode, the excitation signal being designed to generate an actual pressure at the anode that oscillates around a setpoint pressure. In step 310 of reading in, a pressure signal is read in via an interface to a pressure sensor for detecting the actual pressure at the anode. In step 315 of determining, the leakage of anode gas is determined using the actual pressure and/or the excitation signal.
Optional weist das Verfahren 300 gemäß diesem Ausführungsbeispiel ferner einen weiteren Schritt 320 des Ausgebens und/oder einen weiteren Schritt 325 des Einlesens auf. Im weiteren Schritt 320 des Ausgebens wird zu einem sich vom Schritt 305 des Ausgebens des Anregungssignals unterscheidenden Zeitpunkt ein mit der Schwingung um den Sollwert schwingendes weiteres Anregungssignals an die Schnittstelle zu dem Dosierventil ausgegeben, wobei das weitere Anregungssignal ausgebildet ist, um den um den Solldruck schwingenden Istdruck an der Anode zu erzeugen. Im weiteren Schritt 325 des Einlesens wird ein weiteres Drucksignal über die Schnittstelle zu dem Drucksensor eingelesen, um einen Referenzdruck für einen Vergleich mit dem Istdruck zu erhalten. Optionally, the method 300 according to this exemplary embodiment also has a further step 320 of output and/or a further step 325 of reading. In the further step 320 of output, a further excitation signal oscillating with the oscillation around the setpoint is output to the interface to the metering valve at a time different from step 305 of outputting the excitation signal, the further excitation signal being designed to oscillate around the setpoint pressure To generate actual pressure at the anode. In the further step 325 of reading in, a further pressure signal is read in via the interface to the pressure sensor in order to obtain a reference pressure for comparison with the actual pressure.
Die hier vorgestellten Verfahrensschritte können wiederholt sowie in einer anderen als in der beschriebenen Reihenfolge ausgeführt werden. Fig. 4 zeigt ein Blockschaltbild 400 eines Verfahrens gemäß einem Ausführungsbeispiel zum Erkennen einer Leckage von Anodengas in zumindest einer Brennstoffzelle einem Ausführungsbeispiel. Dabei kann es sich um das in Fig. 3 beschriebene Verfahren handeln. The process steps presented here can be carried out repeatedly and in an order other than that described. 4 shows a block diagram 400 of a method according to an exemplary embodiment for detecting a leakage of anode gas in at least one fuel cell in an exemplary embodiment. This can be the method described in FIG. 3.
Dargestellt ist ein prozeduraler Ablauf der Bestimmung der Leckage. In einem ersten Block 405 wird gemäß diesem Ausführungsbeispiel der Sollwert in Form eines Soll-Ansteuerstroms für das Dosierventil bestimmt. In einem zweiten Block 410 wird gemäß diesem Ausführungsbeispiel ein Sollansteuerstromabhängiger Rippel in Form der Schwingung für das Dosierventil bestimmt. In einem dritten Block 415 wird gemäß diesem Ausführungsbeispiel aus einer Summe des Soll- Ansteuerstroms und des Rippels ein Ist-Ansteuerstrom für das Dosierventil mit Rippel eingestellt. Der dritte Block 415 kann dem in Fig. 3 beschriebenen Schritt des Ausgebens entsprechen. In einem vierten Block 420 wird gemäß diesem Ausführungsbeispiel der Istdruck mit Rippel gemessen. Der vierte Block 420 kann dem in Fig. 3 beschriebenen Schritt des Einlesens entsprechen. In einem fünften Block 425 wird gemäß diesem Ausführungsbeispiel eine Analyse durchgeführt, um die Leckage zu erkennen. Der fünfte Block 425 kann dem in Fig. 3 beschriebenen Schritt des Ermittelns entsprechen. In einem sechsten Block 430 wird gemäß diesem Ausführungsbeispiel ein geglätteter Istdruck ermittelt. In einem siebten Block 435 wird gemäß diesem Ausführungsbeispiel der Solldruck ermittelt. Gemäß einem Ausführungsbeispiel wird im ersten Block 405 der Sollwert unter Verwendung des Solldrucks bestimmt. Gemäß einem Ausführungsbeispiel wird im ersten Block 405 der Sollwert unter Verwendung einer Differenz aus dem Solldruck und dem geglätteten Istdruck bestimmt. A procedural sequence for determining the leakage is shown. In a first block 405, according to this exemplary embodiment, the target value is determined in the form of a target control current for the metering valve. In a second block 410, according to this exemplary embodiment, a target control current-dependent ripple is determined in the form of the vibration for the metering valve. In a third block 415, according to this exemplary embodiment, an actual control current for the metering valve with ripple is set from a sum of the target control current and the ripple. The third block 415 may correspond to the outputting step described in FIG. 3. In a fourth block 420, according to this exemplary embodiment, the actual pressure is measured with ripple. The fourth block 420 can correspond to the reading step described in FIG. 3. In a fifth block 425, according to this exemplary embodiment, an analysis is carried out to detect the leak. The fifth block 425 may correspond to the determining step described in FIG. 3. In a sixth block 430, a smoothed actual pressure is determined according to this exemplary embodiment. In a seventh block 435, the target pressure is determined according to this exemplary embodiment. According to one embodiment, in the first block 405 the setpoint is determined using the setpoint pressure. According to one exemplary embodiment, in the first block 405 the setpoint is determined using a difference between the setpoint pressure and the smoothed actual pressure.

Claims

Ansprüche Expectations
1. Verfahren (300) zum Erkennen einer Leckage von Anodengas in oder im Bereich zumindest einer Brennstoffzelle (105) mit einer Anode (115) und einer Kathode (120), wobei das Verfahren (300) die folgenden Schritte aufweist: 1. Method (300) for detecting a leakage of anode gas in or in the area of at least one fuel cell (105) with an anode (115) and a cathode (120), the method (300) having the following steps:
Ausgeben (305) eines mit einer Schwingung (200) um einen Sollwert (205) schwingenden Anregungssignals (140) an eine Schnittstelle zu einem Dosierventil (145) zum Dosieren von Wasserstoff (H2) an die Anode (115), wobei das Anregungssignal (140) ausgebildet ist, um einen um einen Solldruck (215) schwingenden Istdruck (218) an der Anode (115) zu erzeugen; Outputting (305) an excitation signal (140) which oscillates with an oscillation (200) around a setpoint (205) to an interface to a metering valve (145) for metering hydrogen (H2) to the anode (115), the excitation signal (140 ) is designed to generate an actual pressure (218) at the anode (115) that oscillates around a target pressure (215);
Einlesen (310) eines Drucksignals (150) über eine Schnittstelle zu einem Drucksensor (155) zum Erfassen des Istdrucks (218) an oder im Bereich der Anode (115); und Reading in (310) a pressure signal (150) via an interface to a pressure sensor (155) for detecting the actual pressure (218) at or in the area of the anode (115); and
Ermitteln (315) der Leckage von Anodengas unter Verwendung des Istdrucks (218) und/oder des Anregungssignals (140). Determining (315) the leakage of anode gas using the actual pressure (218) and/or the excitation signal (140).
2. Verfahren (300) gemäß Anspruch 1, bei dem im Schritt (305) des Ausgebens die Schwingung (200) des Anregungssignals (140) sinus-, rechtecks- oder sägezahnförmig ist. 2. Method (300) according to claim 1, in which in the step (305) of outputting the oscillation (200) of the excitation signal (140) is sinusoidal, rectangular or sawtooth-shaped.
3. Verfahren (300) einem der vorangegangenen Ansprüche, bei dem im Schritt (305) des Ausgebens das Anregungssignal (140) ausgegeben wird, wobei die Schwingung (200) des Anregungssignals (140) ausgebildet ist, um eine Spannungs- und/oder Stromänderung auf das Dosierventil (145) zu bewirken, um den um den Solldruck (215) schwingenden Istdruck (218) an der Anode (115) zu erzeugen. 3. Method (300) according to one of the preceding claims, in which in the step (305) of outputting the excitation signal (140) is output, the oscillation (200) of the excitation signal (140) being designed to produce a change in voltage and/or current on the metering valve (145) in order to generate the actual pressure (218) at the anode (115) which oscillates around the target pressure (215).
4. Verfahren (300) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, bei dem im Schritt (315) des Ermittelns ein Vergleich zwischen einem Verlauf des Istdrucks (218) und einem Referenzverlauf eines Referenzdrucks durchgeführt wird, um die Leckage zu ermitteln. 4. Method (300) according to one of the preceding claims, in which in step (315) of determining a comparison is carried out between a course of the actual pressure (218) and a reference course of a reference pressure in order to determine the leakage.
5. Verfahren (300) gemäß Anspruch 4, bei dem im Schritt (315) des Ermittelns die Leckage von Anodengas ermittelt wird, wenn der Verlauf des Istdrucks (218) von dem Referenzverlauf des Referenzdrucks abweicht. 5. Method (300) according to claim 4, in which in step (315) of determining the leakage of anode gas is determined if the course of the actual pressure (218) deviates from the reference course of the reference pressure.
6. Verfahren (300) gemäß einem der Ansprüche 4 bis 5, mit einem weiteren Schritt (320) des Ausgebens, in dem zu einem sich vom Schritt (305) des Ausgebens des Anregungssignals (140) unterscheidenden Zeitpunkt ein mit der Schwingung (200) um den Sollwert (205) schwingendes weiteres Anregungssignals an die Schnittstelle zu dem Dosierventil (145) ausgegeben wird, wobei das weitere Anregungssignal ausgebildet ist, um den um den Solldruck (215) schwingenden Istdruck (218) an der Anode (115) zu erzeugen und mit einem weiteren Schritt (325) des Einlesens, in dem ein weiteres Drucksignal über die Schnittstelle zu dem Drucksensor (155) eingelesen wird, um den Referenzdruck zu erhalten. 6. Method (300) according to one of claims 4 to 5, with a further step (320) of outputting, in which at a time different from the step (305) of outputting the excitation signal (140) a with the oscillation (200) A further excitation signal oscillating around the setpoint (205) is output to the interface to the metering valve (145), the further excitation signal being designed to generate the actual pressure (218) at the anode (115) which oscillates around the setpoint pressure (215) and with a further step (325) of reading in, in which a further pressure signal is read in via the interface to the pressure sensor (155) in order to obtain the reference pressure.
7. Verfahren (300) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, bei dem im Schritt (310) des Einlesens das Drucksignal (150) eingelesen wird, das einen Druckverlauf des Istdrucks (218) repräsentiert, wobei im Schritt (315) des Ermittelns die Leckage von Anodengas unter Verwendung eines Druckanstiegs und/oder Druckabfalls des Istdrucks (218) ermittelt wird. 7. Method (300) according to one of the preceding claims, in which in step (310) of reading in the pressure signal (150) is read in, which represents a pressure curve of the actual pressure (218), wherein in step (315) of determining the leakage of Anode gas is determined using a pressure increase and / or pressure drop in the actual pressure (218).
8. Verfahren (300) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, bei dem im Schritt (305) des Ausgebens das Anregungssignal (140) ausgegeben wird, wobei das Anregungssignal (140) ausgebildet ist, um den Istdruck (218) mit einer vorbestimmten Druckcharakteristik an der Anode (115) zu erzeugen, wobei im Schritt (315) des Ermittelns ein Vergleich zwischen der Schwingung (200) des Anregungssignals (140) und einer Referenzschwingung eines Referenzanregungssignals durchgeführt wird, um die Leckage zu ermitteln. Verfahren (300) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, bei dem im Schritt (310) des Einlesens ferner eine Temperatur und/oder Konzentration eines Anodengases der Anode (115) eingelesen wird, wobei im Schritt (315) des Ermittelns die Leckage von Anodengas unter Verwendung ferner der Temperatur und/oder Konzentration ermittelt wird. Vorrichtung (100), die eingerichtet ist, um die Schritte (305, 310, 315, 320, 325) des Verfahrens (300) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche in entsprechenden Einheiten (125, 130, 135) auszuführen und/oder anzusteuern. Brennstoffzellensystem (168) mit zumindest einer Brennstoffzelle (105) mit einer Anode (115) und einer Kathode (120), einem Dosierventil (145) zum Dosieren von Wasserstoff (H2) an die Anode (115) und mit einer Vorrichtung (100) gemäß Anspruch 10. 8. Method (300) according to one of the preceding claims, in which in the step (305) of outputting the excitation signal (140) is output, the excitation signal (140) being designed to produce the actual pressure (218) with a predetermined pressure characteristic at the Anode (115), wherein in step (315) of determining a comparison between the oscillation (200) of the excitation signal (140) and a reference oscillation of a reference excitation signal is carried out to determine the leakage. Method (300) according to one of the preceding claims, in which in step (310) of reading a temperature and / or concentration of an anode gas of the anode (115) is also read in, wherein in step (315) of determining the leakage of anode gas using the temperature and/or concentration is also determined. Device (100) which is set up to carry out and/or control the steps (305, 310, 315, 320, 325) of the method (300) according to one of the preceding claims in corresponding units (125, 130, 135). Fuel cell system (168) with at least one fuel cell (105) with an anode (115) and a cathode (120), a metering valve (145) for metering hydrogen (H2) to the anode (115) and with a device (100) according to Claim 10.
PCT/EP2023/052568 2022-03-24 2023-02-02 Method and device for detecting a leakage of anode gas in or in the region of at least one fuel cell and fuel cell system comprising a device WO2023179947A1 (en)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102022202913.5A DE102022202913A1 (en) 2022-03-24 2022-03-24 Method and device for detecting a leak of anode gas in or in the area of at least one fuel cell and fuel cell system with a device
DE102022202913.5 2022-03-24

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2023179947A1 true WO2023179947A1 (en) 2023-09-28

Family

ID=85172922

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/EP2023/052568 WO2023179947A1 (en) 2022-03-24 2023-02-02 Method and device for detecting a leakage of anode gas in or in the region of at least one fuel cell and fuel cell system comprising a device

Country Status (2)

Country Link
DE (1) DE102022202913A1 (en)
WO (1) WO2023179947A1 (en)

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE10226331A1 (en) * 2002-06-07 2003-12-18 Fuelcon Ag Fuel cell testing method for determining cell dynamic behavior characteristics, whereby fuel cell output values are measured as the fuel supply is modulated using vibration exciters whose frequency is controlled
DE102015224333A1 (en) * 2014-12-12 2016-06-16 Ford Global Technologies, Llc A method of determining anode integrity during a fuel cell vehicle operation

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101293979B1 (en) 2011-12-21 2013-08-07 현대자동차주식회사 Control method for pressure flow oscillation in the anode of fuel cell stack

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE10226331A1 (en) * 2002-06-07 2003-12-18 Fuelcon Ag Fuel cell testing method for determining cell dynamic behavior characteristics, whereby fuel cell output values are measured as the fuel supply is modulated using vibration exciters whose frequency is controlled
DE102015224333A1 (en) * 2014-12-12 2016-06-16 Ford Global Technologies, Llc A method of determining anode integrity during a fuel cell vehicle operation

Also Published As

Publication number Publication date
DE102022202913A1 (en) 2023-09-28

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE102017207157A1 (en) Monitoring the integrity of the fuel cell stack by means of fuel cell groups
DE112005001088T5 (en) The fuel cell system
DE112004001535B4 (en) Gas control method and fuel cell system
DE102008047389B4 (en) A fuel cell system and method for online determination and method for controlling the relative humidity of a reactant stream in a fuel cell stack
DE112008002901T5 (en) Fuel cell system and start control method for a fuel cell system
DE102015119429B4 (en) Fuel cell system and control method for a fuel cell system
DE102005056070A1 (en) Fuel cell system and control method for this
DE112008003533T5 (en) The fuel cell system
DE112008003004T5 (en) Fuel cell system and method for limiting the current of the same
DE102010005644A1 (en) A system and method for monitoring an anode fluid composition during a fuel cell system startup
DE102016117234A1 (en) VALIDATION AND CORRECTION OF ESTIMATION OF H2 CONCENTRATION AT GENE 2 ANODE
DE112005003605T5 (en) Fuel cell system designed to ensure operational stability
DE102004019085A1 (en) The fuel cell system
DE102020209740A1 (en) Method for operating a fuel cell system, evaluation unit for a fuel cell system
DE102016116004A1 (en) Method for determining the moisture content of an operating medium, fuel cell system for carrying out such a method and use of a compressor as a moisture sensor
DE102013105044A1 (en) Algorithm for extreme breathing in a variable time interval for determining an anode pressure sensor failure error in a fuel cell system
WO2023179947A1 (en) Method and device for detecting a leakage of anode gas in or in the region of at least one fuel cell and fuel cell system comprising a device
DE102013112519B4 (en) Method for diagnosing fuel cell humidification problems
DE102019106272A1 (en) FUEL CELL SYSTEM AND CONTROL METHOD OF THE FUEL CELL SYSTEM
DE102013112460A1 (en) Detection of an anode leak
EP3679617B1 (en) Method for determining the compressive tensile force acting on a fuel cell stack
DE102018129121A1 (en) The fuel cell system
DE102018132755A1 (en) SYSTEM AND METHOD FOR MEA CONDITIONING IN A FUEL CELL
DE102015210839A1 (en) Diagnostic method for determining a state of a fuel cell stack and fuel cell system
WO2019048217A1 (en) Method for operating a fuel cell

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 23703203

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1