AT524946A4 - Diagnoseverfahren für eine Schädigungsdiagnose bei einem Betrieb eines Brennstoffzellensystems - Google Patents

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Diagnoseverfahren für eine Schädigungsdiagnose bei einem Betrieb eines Brennstoffzellensystems (100) mit einem Brennstoffzellenstapel (110) mit einem Anodenabschnitt (120) und einem Kathodenabschnitt (130), gekennzeichnet durch die folgenden Schritte: ‐ Empfangen eines Betriebsstopp-Signals (BSS) für einen Stopp des Betriebs des Brennstoffzellensystems (100), ‐ Stoppen der Gaszufuhr zum Kathodenabschnitt (130) des Brennstoffzellenstapels (110), ‐ Vorgabe eines Entladestroms (IE) zum Entladen des Brennstoffzellenstapels (110), ‐ Überwachen einer Zellspannung (UZ) am Brennstoffzellenstapel (110), ‐ Beenden der Vorgabe des Entladestroms (IE) bei Erreichen einer Diagnose-Startspannung (UDS) am Brennstoffzellenstapel (110), ‐ Erfassen einer Diagnosezeitspanne (DZ) vom Diagnose-Startzeitpunkt (DZS) bei Erreichen der Diagnose-Startspannung (UDS) bis zum Diagnose-Endzeitpunkt (DZE) bei Erreichen einer Diagnose-Endspannung (UDE).

Description

Diagnoseverfahren für eine Schädigungsdiagnose bei einem Betrieb eines

Brennstoffzellensystems

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Diagnoseverfahren für eine Schädigungsdiagnose bei einem Betrieb eines Brennstoffzellensystems, eine Diagnosevorrichtung für die Durchführung eines solchen Diagnoseverfahrens sowie ein Brennstoffzellensys-

tem mit einer solchen Diagnosevorrichtung.

Die vorliegende Erfindung beruht auf der bekannten Diagnosemöglichkeit Schädigungen von Brennstoffzellen in einem Brennstoffzellensystem zu erkennen. Dabei handelt es sich insbesondere um Schädigungen der Membran innerhalb von Brennstoffzellen, welche die Kathodenseite von der Anodenseite einer Brennstoffzelle trennt. Über einen andauernden Betrieb von Brennstoffzellen kann es vorkommen, dass die Membran ausdünnt und insbesondere an lokalen Stellen so dünn wird, dass sogenannte Pin-Holes entstehen. Dies kann dazu führen, dass eine Undichtigkeit zwischen der Kathodenseite und der Anodenseite auftritt, welche zum Defekt dieser Brennstoffzelle führen kann. Auch ist es bekannt, dass Undichtigkeiten bei der Einspannung der Membran, aber auch in die Umgebung mit fortdauerndem Betrieb entstehen können, sodass eine Diagnose gewünscht ist, um diesen fortdauernden

Schädigungsprozess zu überwachen.

Es ist bekannt, die voranstehend beschriebenen Schädigungen mit einem sogenannten Bleed-Down zu diagnostizieren. Hierfür wird das Brennstoffzellensystem in einen speziellen Betriebsmodus überführt. Dabei wird die Gaszufuhr auf die Kathodenseite gestoppt und anschließend abgewartet, wie sich die Spannungsverhältnisse an der einzelnen Brennstoffzelle, mehreren Brennstoffzellen oder einem Brennstoffzellenstapel entwickeln. Sinkt die Spannung über einen definierten Zeitraum ab, so kann eine Diagnosezeitspanne bestimmt werden, deren Länge eine Aussage über die aktuelle Schädigungssituation gibt. Ist die Diagnosezeitspanne sehr kurz, so kann von einer beschädigten Membran oder einer Undichtigkeit im Brennstoffzellenstapel ausgegangen werden. Liegt der Diagnosezeitraum in einem vordefinierten längeren Zeithorizont, so kann dies zum Rückschluss auf eine intakte Membran und ein Feh-

len einer Undichtigkeit führen.

Nachteilhaft bei den bekannten Lösungen ist es, dass solche Diagnosen nur auf

Prüfständen für Brennstoffzellen durchgeführt werden können. Dies beruht insbe-

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, in kostengünstiger und einfacher Weise die voranstehend beschriebenen Nachteile zumindest teilweise zu beheben. Insbesondere ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, in kostengünstiger und einfacher Weise eine Diagnose des Brennstoffzellensystems in den Fahrzeugbetrieb zu integ-

rieren.

Die voranstehende Aufgabe wird gelöst, durch ein Diagnoseverfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1, eine Diagnosevorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 11 sowie ein Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen des Anspruchs 12. Weitere Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Diagnoseverfahren beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Diagnosevorrichtung sowie dem erfindungsgemäß en Brennstoffzellensystem und jeweils umgekehrt, sodass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird beziehungsweise werden kann.

Erfindungsgemäß soll ein Diagnoseverfahren eine Schädigungsdiagnose bei einem Betrieb eines Brennstoffzellensystems mit einem Brennstoffzellenstapel mit einem Anodenabschnitt und einem Kathodenabschnitt ermöglichen. Dieses Diagnoseverfahren ist vorzugsweise eingesetzt für den Betrieb in einem Fahrzeug. Ein solches

Diagnoseverfahren zeichnet sich durch die folgenden Schritte aus:

Brennstoffzellensystems,

- Stoppen der Gaszufuhr zum Kathodenabschnitt des Brennstoffzellensta-

pels, - Vorgabe eines Entladestroms zum Entladen des Brennstoffzellenstapels, - Überwachen einer Zellspannung am Brennstoffzellenstapel,

- Beenden der Vorgabe des Entladestroms bei Erreichen einer DiagnoseStartspannung am Brennstoffzellenstapel,

- Erfassen einer Diagnosezeitspanne vom Diagnose-Startzeitpunkt beim Erreichen der Diagnose-Startspannung bis zum Diagnose-Endzeitpunkt bei

Erreichen einer Diagnose-Endspannung.

Der Kerngedanke eines erfindungsgemäßen Diagnoseverfahrens liegt darin, dass es in dem Betrieb des Brennstoffzellensystem beispielsweise für den Antrieb eines Fahrzeugs integriert werden kann. Wird ein Brennstoffzellensystem für den Antrieb eines Fahrzeugs verwendet, so geschieht dies beispielsweise für eine hybride Antriebsfunktionalität. Dabei wird eine Batterievorrichtung mit einem Elektromotor gekoppelt, wobei das Brennstoffzellensystem zusätzlich zur Batterievorrichtung elektrische Leistung für den Elektromotor zur Verfügung stellen kann. Gleichzeitig ist auch

ein Aufladen der Batterievorrichtung aus dem Brennstoffzellensystem möglich.

Unter dem Empfangen eines Betriebsstopp-Signals kann im Rahmen der Erfindung bevorzugt auch ein Signal eines Unterschreitens einer Leistungsanforderung eines vorbestimmten Limits verstanden werden.

Unter der Endspannung wird im Rahmen der Erfindung bevorzugt eine Einzelzellspannung, eine Zellgruppenspannung und/oder eine Brennstoffzellenstapelspannung verstanden werden. Die Diagnosezeitspannung kann im Rahmen der Erfindung bevorzugt auch konstant sein, wobei dann eine Spannungsdifferenz als Maß verwendet wird.

Neben einer Maximalbegrenzung für die Leistungserzeugung mit Brennstoffzellensystemen sind üblicherweise auch minimale Leistungsabgaben vorgegeben, welche

im effizienten Betrieb des Brennstoffzellensystem nicht unterschritten werden sollen

gungsmechanismus vorantreibt, sehr kurzgehalten wird.

Im Gegensatz zu bekannten Lösungen, bei welchem der Betriebsstopp mit einem Entladestrom zu einem möglichst vollständigen und schnellen Entladen der einzelnen Brennstoffzellen führt, stoppt jedoch ein erfindungsgemäßes Diagnoseverfahren die Vorgabe des Entladestroms, sobald eine Diagnose-Startspannung erreicht ist. Eine solche Diagnose-Startspannung ist größer als 0 Volt und insbesondere mit einem vordefinierten Abstand vom Nullpunkt bei 0 Volt vorgegeben. Somit wird es möglich, zum einen in einem ersten Schritt ein elektrisches Potenzial an den einzelnen Brennstoffzellen des Brennstoffzellenstapels durch die Vorgabe des Entladestroms sehr schnell zu reduzieren. Jedoch wird ein Restpotenzial beibehalten, welches, wie dies später noch erläutert wird, vorzugsweise unter einer Schädigungs-

grenze liegt, um nachfolgend ein Diagnoseverfahren durchzuführen.

Das Diagnoseverfahren läuft ähnlich dem bekannten Bleed-Down-Verfahren ab. So wird eine Zeitspanne gemessen, welche als Diagnosezeitspanne die Zeit zwischen einem Diagnose-Startzeitpunkt und einem Diagnose-Endzeitpunkt erfasst. Der Diagnose-Startzeitpunkt ist das Starten eines entsprechenden Timers, wenn die

Zellspannung am Brennstoffzellenstapel nach der Vorgabe des Entladestroms die

Brennstoffzellensystem diagnostizieren können.

Es ist noch darauf hinzuweisen, dass die Zellspannung bei einzelnen Brennstoffzellen, bei einzelnen Gruppen von Brennstoffzellen, aber auch stapelübergreifend für alle Brennstoffzellen in einem Brennstoffzellenstapel überwacht werden kann. Vorzugsweise erfolgt die Überwachung der Zellspannung sowohl nach dem Empfang des Betriebsstopp-Signals, bis zum Erreichen der Diagnose-Startspannung und voranschreitend weiter bis zum Erreichen der Diagnose-Endspannung.

Ein erfindungsgemäßes Diagnoseverfahren bringt nun diverse Vorteile mit sich. Zum einen wird es möglich, Stoppsituationen im realen Betrieb in einem Fahrzeug für das Brennstoffzellensystem zusätzlich für ein Diagnoseverfahren zu nutzen. Dies erlaubt es, neben der Nutzung bekannter Kennfelder, welche am Prüfstand für Brennstoffzellensysteme ermittelt werden, auch eine Diagnostik in den Betrieb des Fahrzeugs zu integrieren, um auf diese Weise noch genauer eine Überwachung von Schädigungs-

situationen im Brennstoffzellensystem zu erlauben.

Darüber hinaus wird die Diagnose integriert in eine Stoppsituation des Brennstoffzellensystems, welche im Wesentlichen zwei Kerngedanken erfüllt. Im ersten Schritt erfolgt ein möglichst schnelles Absenken unter ein Schädigungspotenzial, während im zweiten Schritt eine relativ langsame Diagnose stattfindet. Die langsame Diagnose hat darüber hinaus den Vorteil, dass einfache und kostengünstige Sensoren und Messdiagnostik eingesetzt werden können, sodass der Kostenaufwand für die Überwachung und die Durchführung eines erfindungsgemäßen Diagnoseverfahrens überschaubar bleibt oder sogar mit in bestehenden Brennstoffzellen vorhandenen Senso-

ren möglich ist.

Vorteile bringt es weiter mit sich, wenn bei einem erfindungsgemäßen Diagnoseverfahren die Zellspannung für mehrere Brennstoffzellen und/oder für mehrere Brennstoffzellengruppen des Brennstoffzellenstapels separat überwacht wird, wobei insbesondere die minimale Zellspannung aller überwachten Zellspannungen für die Erfassung der Diagnosezeitspanne und/oder die maximale Zellspannung für die Beendigung der Vorgabe verwendet wird. Bei dieser Ausführungsform wird nochmals ersichtlich, dass mehrere unterschiedliche Zellspannungen für einzelne Brennstoffzellen oder Brennstoffzellengruppen erfassbar sind. Damit ergeben sich entsprechend auch für jede erfasste Brennstoffzelle und/oder für jede überwachte Brennstoffzellengruppe, einzelne Werte für die Zellspannung. Erfindungsgemäß wird nun zum Beispiel die minimale Zellspannung aller überwachten Zellspannung oder beispielsweise die Standardabweichung oder andere statische Auswertemethoden dafür ver-

wendet, dass die Diagnosezeitspanne erfasst wird. Mit anderen Worten wird der Di-

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Schädigungsgrenze liegen.

Vorteile kann es mit sich bringen, wenn bei einem erfindungsgemäßen Diagnoseverfahren das Betriebsstopp-Signal empfangen wird, wenn bei einem Vergleich einer erfassten Leistungsanforderung mit einem Betriebs-Minimalwert für die Betriebsleistung des Brennstoffzellensystems, die erfasste Leistungsanforderung unterhalb des Betriebs-Minimalwerts liegt. Dies erlaubt es, dass bei einem erfindungsgemäßen Diagnoseverfahren ein sogenannter Stop-Mode für einen temporären Stopp des Betriebs des Brennstoffzellensystems mit dem Diagnoseverfahren kombiniert wird. Wie bereits eingangs erläutert worden ist, kann so das Diagnoseverfahren durchgeführt werden, wenn die Leistungsanforderung So gering ist, dass ein Stopp des Brennstoffzellensystems erfolgen soll. Dieses Betriebsstopp-Signal kann in einem solchen Fall von Extern zur Verfügung gestellt, aber auch im Rahmen des erfindungsgemä-

Ren Diagnoseverfahren selbst erzeugt werden.

Weiter von Vorteil kann es sein, wenn bei einem erfindungsgemäßen Diagnoseverfahren eine Prognose und/oder eine Simulation einer Betriebsstopp-Dauer erfolgt, wobei die Schritte des Beendens der Vorgabe des Erfassens und des Erfassens der Diagnosezeitspanne in wenigstens einem der folgenden Fälle blockiert werden:

- Betriebsstopp-Dauer ist kürzer als eine Beschädigt-Diagnosezeitspanne, - Betriebsstopp-Dauer ist kürzer als eine Intakt-Diagnosezeitspanne.

Bei der voranstehenden Aufzählung handelt es sich um eine nicht abschließende Liste. Eine Blockade der Schritte des Beendens der Vorgabe und des Erfassens der Di-

agnosezeitspanne führt demnach zu einem Blockieren der Diagnoseschritte bei ei-

tens einer der beiden Zeitspannen durchgeführt werden kann.

Weitere Vorteile können erzielt werden, wenn bei einem erfindungsgemäßen Diagnoseverfahren der Entladestrom in Abhängigkeit der Zellspannung vorgegeben wird, insbesondere direkt proportional. Ein solcher Entladestrom dient, wie erläutert worden ist, dem möglichst schnellen Reduzieren der Zellspannung am Brennstoffzellenstapel. Eine hohe Spannung an den jeweiligen Brennstoffzellen beim Ausschalten führt bei dieser Ausführungsform zu einem höheren Entladestrom als eine entsprechend niedrigere Zellspannung bei der Ausschaltsituation. Dies führt insbesondere dazu, dass die Geschwindigkeit, mit welcher der Entladestrom eine Reduktion der Zellspannung erzielt, an die zu überbrückende Differenz zwischen der Zellspannung in der Ausschaltsituation und der Diagnose-Startspannung angepasst wird. Eine solche Einstellbarkeit führt zu einer Einstellbarkeit der Geschwindigkeit der Reduktion der Zellspannung, sodass die Schutzmechanismen entsprechend an die jeweilige

Betriebssituation vor dem Ausschalten angepasst werden können.

Weitere Vorteile können erzielt werden, wenn bei einem erfindungsgemäßen Diagnoseverfahren der Entladestrom bis zum Erreichen der Diagnose-Startspannung

konstant oder im Wesentlichen konstant gehalten wird. Ein Nachregeln erfolgt also vorzugsweise nicht. Dies führt zu einer sehr einfachen Kontrollierbarkeit des Entla-

destroms, da dessen Wert als Sollwert vorgegeben und beibehalten wird. Auch die

auf diese Weise erhöht.

Weitere Vorteile sind erzielbar, wenn bei einem erfindungsgemäßen Diagnoseverfahren für die Diagnosezeitspanne der Entladestrom vollständig oder im Wesentlichen vollständig blockiert wird. Dies kann beispielsweise durch ein elektrisches Trennen möglicher Stromabnahmen am Brennstoffzellenstapel zur Verfügung gestellt werden. Auch eine Maximierung elektrischer Widerstände am Brennstoffzellenstapel kann diesen Effekt mit sich bringen. Insbesondere wird auf diese Weise eine Verfälschung der Diagnose vermieden, da parallele Entladungsvorgänge an dem Brennstoffzellenstapel durch Stromabnahme möglichst vollständig ausgeschlossen oder zumindest

auf ein Minimum reduziert werden.

Vorteilhaft ist es weiter, wenn bei einem erfindungsgemäßen Diagnoseverfahren die erfasste Diagnosezeitspanne geprüft wird auf ein Unterschreiten einer BeschädigtDiagnosezeitspanne und/oder auf ein Überschreiten einer IntaktDiagnosezeitspanne. Dieses Diagnoseergebnis als Ergebnis dieses Vergleichs kann nun in einem erfindungsgemäßen Diagnoseverfahren als Diagnosesignal ausgegeben werden. Unterschreitet die erfasste Diagnosezeitspanne eine BeschädigtDiagnosezeitspanne, so ist die Zellspannung am Brennstoffzellenstapel so schnell abgesunken, dass von einer beschädigten Membran oder einer Leckage auszugehen ist. Überschreitet jedoch die Diagnosezeitspanne eine IntaktDiagnosezeitspanne, so kann mit hoher Wahrscheinlichkeit von einer Intaktheit der Membran und von einem Fehlen jeglicher Leckage am Brennstoffzellenstapel ausgegangen werden. Beim Überschreiten der Intakt-Diagnosezeitspanne kann vorzugsweise die Erfassung der Diagnosezeitspanne abgebrochen werden, auch wenn

zu diesem Zeitpunkt noch nicht die Diagnose-Endspannung erreicht worden ist.

Vorteilhaft ist es ebenfalls, wenn bei einem erfindungsgemäßen Diagnoseverfahren wenigstens einer der folgenden Parameter einstellbar ausgebildet ist:

- Diagnose-Startspannung - Diagnose-Endspannung

Bei der voranstehenden Aufzählung handelt es sich um eine nicht abschließende Liste. Selbstverständlich können auch Auswertungen oder die bereits erläuterten Zeit-

passt und variiert werden.

Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine Diagnosevorrichtung für eine Schädigungsdiagnose bei einem Betrieb eines Brennstoffzellensystems mit einem Brennstoffzellenstapel mit einem Anodenabschnitt und einem Kathodenabschnitt. Eine solche Diagnosevorrichtung weist ein Empfangsmodul für ein Empfangen eines Betriebsstopp-Signals für einen Stopp des Betriebs des Brennstoffzellensystems auf. Weiter ist ein Stoppmodul für ein Stoppen der Gaszufuhr zum Kathodenabschnitt des Brennstoffzellenstapels vorgesehen. Mithilfe eines Vorgabemoduls ist eine Vorgabe eines Entladestroms zum Entladen des Brennstoffzellenstapels sowie zum Beenden der Vorgabe des Entladestroms beim Erreichen einer DiagnoseStartspannung am Brennstoffzellenstapel möglich. Ein Überwachungsmodul ist vorgesehen, für eine Überwachung der Zellspannung am Brennstoffzellenstapel. Abschließend ist ein Erfassungsmodul vorhanden, zum Erfassen einer Diagnosezeitspanne vom Diagnose-Startzeitpunkt bei Erreichen der Diagnose-Startspannung bis zum Diagnose-Endzeitpunkt bei Erreichen einer Diagnose-Endspannung. Dabei sind das Empfangsmodul, das Stoppmodul, das Vorgabemodul, das Überwachungsmodul und/oder das Erfassungsmodul insbesondere für eine Ausführung eines erfindungsgemäßen Diagnoseverfahrens ausgebildet. Damit bringt eine erfindungsgemäße Diagnosevorrichtung die gleichen Vorteile mit sich, wie sie ausführlich mit Bezug auf

ein erfindungsgemäßes Diagnoseverfahren erläutert worden sind.

Ebenfalls Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Brennstoffzellensystem mit wenigstens einem Brennstoffzellenstapel mit einem Anodenabschnitt und einem Kathodenabschnitt. Der Anodenabschnitt weist einen Anodenzuführabschnitt zum Zuführen von Anodenzuführgas und einen Anodenabführabschnitt zum Abführen von Anodenabgas auf. Der Kathodenabschnitt ist mit einem Kathodenzuführabschnitt zum Zuführen von Kathodenzuführgas und mit einem Kathodenabführabschnitt zum Abführen von Kathodenabgas ausgestattet. Weiter weist das Brennstoffzellensystem eine Diagnosevorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung auf. Damit bringt ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem die gleichen Vorteile mit sich, wie sie ausführlich mit Bezug auf eine erfindungsgemäße Diagnosevorrichtung sowie mit

Bezug auf ein erfindungsgemäßes Diagnoseverfahren erläutert worden sind.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der

nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnungen Aus-

führungsbeispiele der Erfindung im Einzelnen beschrieben sind. Es zeigen schema-

tisch:

Fig. 1 eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Diagnosevorrichtung,

Fig. 2 eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems,

Fig. 3 ein möglicher Durchlauf eines erfindungsgemäßen Diagnoseverfahrens,

Fig. 4 ein weiterer möglicher Durchlauf eines erfindungsgemäßen Di-

agnoseverfahrens und Fig. 5 eine Leistungskurve an einem Brennstoffzellensystem.

Figur 1 zeigt schematisch eine Diagnosevorrichtung 10 wie sie bei Brennstoffzellensystemen 100 bei der Anwendung in einem Fahrzeug eingesetzt werden kann. Die Diagnosevorrichtung 10 ist in der Lage, ein erfindungsgemäßes Diagnoseverfahren mit dem Empfangen eines Betriebsstopp-Signals BSS zu starten. Hierfür ist ein Empfangsmodul 20 vorgesehen, welches dieses Betriebsstopp-Signal BSS erhält oder sogar selbst erzeugt, beispielsweise in Abhängigkeit von einer Leistungsanforderung LAF wie es die Figur 5 zeigt. Eine Weitergabe an ein Stoppmodul 30 führt dazu, dass nun in der Kontrolle des Brennstoffzellensystems 100 die Gaszufuhr zum Kathodenabschnitt 130 des Brennstoffzellenstapels 110 gestoppt wird. Um anschließend eine Schädigung der Membran der einzelnen Brennstoffzellen im Brennstoffzellenstapel 110 zu vermeiden, weist die Diagnosevorrichtung 10 ein Vorgabemodul 40 auf, welches nun einen Entladestrom IE dem Brennstoffzellenstapel 110 vorgibt und diesen damit beaufschlagt. Der Entladestrom IE reduziert die Zellspannung UZ, welche vom Überwachungsmodul 50 kontinuierlich überwacht wird.

Sobald das Überwachungsmodul 50 bei der Überwachung der Zellspannung UZ feststellt, dass eine Diagnose-Startspannung UDS unterschritten wird, führt dies im Wesentlichen zu zwei weiteren Aktionen. Zum einen erfolgt ein Stopp der Vorgabe des Entladestroms IE durch das Vorgabemodul 40. Zum anderen wird vom Erfas-

sungsmodul 60 ein Timer gestartet, um bei fortdauernder Überwachung der

Zellspannung UZ die Diagnosezeitspanne DZ bis zum Erreichen der Diagnose-

Endspannung UDE zu erfassen.

In der Figur 2 ist schematisch ein Einsatz einer solchen Diagnosevorrichtung 10 an einem Brennstoffzellensystem 100 dargestellt. Hier ist ein Teil des Brennstoffzellensystems 100 mit einem Brennstoffzellenstapel 110 dargestellt, welcher in einen Anodenabschnitt 120 und einen Kathodenabschnitt 130 aufgeteilt ist. Dem Anodenabschnitt 120 wird Anodenzuführgas über einen Anodenzuführabschnitt 122 und dem Kathodenabschnitt 130 Kathodenzuführgas über einen Kathodenzuführabschnitt 132 zugeführt. Anodenabgas wird über den Anodenabführabschnitt 124 und Kathodenabgas über den Kathodenabführabschnitt 134 abgeführt. Nicht näher dargestellt sind weitere Funktionsbestandteile eines solchen Brennstoffzellensystems 100, wie Reformervorrichtungen, Wärmetauschervorrichtungen, Rezirkulationsvorrichtungen oder Ähnliches. Die Diagnosevorrichtung 10 ist vorzugsweise gemäß der Ausführungsform der Figur 1 ausgestaltet und ist, hier mit gestrichelten Linien dargestellt, in der Lage einen Signalaustausch mit dem Brennstoffzellenstapel 110, dem Anodenzuführabschnitt 122 und/oder dem Kathodenzuführabschnitt 132 für die Durchfüh-

rung eines erfindungsgemäßen Diagnoseverfahrens durchzuführen.

Die Figur 3 zeigt schematisch die Durchführung und Wirkung einer Möglichkeit eines erfindungsgemäßen Diagnoseverfahrens. Das in der Figur 3 dargestellte Diagramm trägt die Zellspannung UZ auf der Y-Achse über die Zeit entlang der X-Achse auf. Zu Beginn ist die Zellspannung UZ auf einem hohen Niveau während eines regulären Betriebs zum Erzeugen von elektrischem Strom bis ein Betriebsstopp-Signal BSS einen anstehenden Betriebsstopp des Brennstoffzellensystems 100 ankündigt. Im Betrieb des Brennstoffzellensystems 100 folgt diesem Betriebsstopp-Signal BSS der Stopp der Zufuhr von Gas über den Kathodenabschnitt 130, sodass nun diese hohe Zellspannung UZ ein Schädigungspotential für die Schädigung der jeweiligen Brennstoffzellen mit sich bringen würde. Um dieses Schädigungspotential zu reduzieren wird ein Entladestrom IE vorgegeben, welcher in der Figur 3 dahingehend wirkt, dass die Zellspannung UZ über eine kurze Zeitspanne schnell abgesenkt wird. Dieses Absenken in aktiver Weise durch die Vorgabe des Entladestroms IE wird gestoppt, Sobald die Zellspannung UZ eine Diagnose-Startspannung UDS erreicht hat. Zu diesem Zeitpunkt wird vorzugsweise jede Vorgabe eines Entladestroms IE vollständig

blockiert, insbesondere der Brennstoffzellenstapel 110 sogar elektrisch isoliert, so-

zeitspanne DZ definiert sein.

Wie voranstehend erläutert worden ist, erfolgt das Absinken der Zellspannung UZ über die Diagnosezeitspanne DZ ausschließlich oder im Wesentlichen ausschließlich aufgrund interner Prozesse im Brennstoffzellenstapel 130. Somit kann rückgeschlossen werden, dass bei einem schnellen Absinken auf die Diagnose-Endspannung UDE entsprechend eine Leckage oder eine Schädigung der Membran vorliegen muss. Ist die Diagnosezeitspanne DZ lang, insbesondere länger als eine IntaktDiagnosezeitspanne DZI, so kann von einer Intaktheit der Membran und einem Fehlen einer lokalen Leckage ausgegangen werden.

Die Figur 4 zeigt noch, wie eine Überwachung von mehr als einer Zellspannung UZ, hier einer minimalen Zellspannung UZ min und einer maximalen Zellspannung UZ max durchgeführt wird. Dabei wird die maximale Zellspannung UZ max verwendet, um sicherzustellen, dass auch diese maximale Zellspannung UZ zu Beginn des Diagnoseverfahrens am Diagnose-Startzeitpunkt DZS unterhalb einer Schädigungsspannung US liegt. Darüber hinaus wird sichergestellt, dass die Diagnoseschritte selbst an der minimalen Zellspannung UZ min hindurchgeführt werden, insbesondere

was den Diagnose-Endzeitpunkt DZE betrifft.

Die Figur 5 zeigt den Betriebsverlauf anhand der Betriebsleistung BL eines Brennstoffzellensystems 100 beim Durchlauf eines Diagnoseverfahrens der vorliegenden Erfindung. So schwankt eine Leistungsanforderung LAF über den Betrieb des Brennstoffzellensystems 100 je nach Betriebsweise des Fahrzeugs. In einem Teillast- oder Niedriglastbetrieb sinkt diese Leistungsanforderung LAF unter einen BetriebsMinimalwert BM ab, was in diesem Fall ein Betriebsstopp-Signal BSS auslöst. Zu diesem Zeitpunkt wird es nun möglich, ein erfindungsgemäßes Diagnoseverfahren

durchzuführen, also in einem ersten Schritt sehr schnell über den Entladestrom IE

eine Schädigungsspannung US zu unterstreiten. Bei der Ausführungsform der Figur

5 wird zusätzlich noch vor der Durchführung der Diagnoseschritte mithilfe einer

Prognose und/oder einer Simulation geprüft, ob die gesamte Betriebsstopp-Dauer

BSD lang genug ist, um eine erfolgreiche Diagnose durchzuführen. Bei der Figur 5 ist

dies der Fall, da sowohl eine Beschädigt-Diagnosezeitspanne DZB als auch eine In-

takt-Diagnosezeitspanne DZI kürzer als die Betriebsstopp-Dauer BSD sind.

Die voranstehenden Erläuterungen zu den Ausführungsformen beschreiben die vorliegende Erfindung ausschließlich im Rahmen von Beispielen.

Bezugszeichenliste

10 Diagnosevorrichtung 20 Empfangsmodul

30 Stoppmodul

40 Vorgabemodul

50 Überwachungsmodul

60 Erfassungsmodul

100 Brennstoffzellensystem 110 Brennstoffzellenstapel 120 Anodenabschnitt

122 Anodenzuführabschnitt 124 Anodenabführabschnitt 130 Kathodenabschnitt

132 Kathodenzuführabschnitt 134 Kathodenabführabschnitt

BSS Betriebsstopp-Signal BSD Betriebsstopp-Dauer LAF Leistungsanforderung BM _Betriebs-Minimalwert

BL Betriebsleistung

IE Entladestrom

UZ Zellspannung

US Schädigungsspannung UDS Diagnose-Startspannung UDE Diagnose-Endspannung

DZ _ Diagnosezeitspanne

DZB Beschädigt-Diagnosezeitspanne DZ! Intakt-Diagnosezeitspanne

DZS Diagnose-Startzeitpunkt

DZE Diagnose-Endzeitpunkt

Claims (1)

1. Patentansprüche

   1. Diagnoseverfahren für eine Schädigungsdiagnose bei einem Betrieb eines Brennstoffzellensystems (100) mit einem Brennstoffzellenstapel (110) mit einem Anodenabschnitt (120) und einem Kathodenabschnitt (130), gekenn-

   zeichnet durch die folgenden Schritte:

   - Empfangen eines Betriebsstopp-Signals (BSS) für einen Stopp des Be-

   triebs des Brennstoffzellensystems (100),

   - Stoppen der Gaszufuhr zum Kathodenabschnitt (130) des Brennstoff-

   zellenstapels (110),

   - Vorgabe eines Entladestroms (IE) zum Entladen des Brennstoffzellenstapels (110),

   - Überwachen einer Zellspannung (UZ) am Brennstoffzellenstapel (110),

   - Beenden der Vorgabe des Entladestroms (IE) bei Erreichen einer Diag-

   nose-Startspannung (UDS) am Brennstoffzellenstapel (110),

   - Erfassen einer Diagnosezeitspanne (DZ) vom Diagnose-Startzeitpunkt (DZS) bei Erreichen der Diagnose-Startspannung (UDS) bis zum Diagnose-Endzeitpunkt (DZE) bei Erreichen einer Diagnose-Endspannung (UDE).

   2. Diagnoseverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Diagnose-Startspannung (UDS) unterhalb einer Schädigungsspannung (US) für

   den Brennstoffzellenstapel (110) liegt.

   3. Diagnoseverfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zellspannung (UZ) für mehrere Brennstoffzellen und/oder für mehrere Brennstoffzellengruppen des Brennstoffzellenstapels (110) separat überwacht wird, wobei insbesondere die minimale Zellspannung (UZ min) aller überwachten Zellspannungen (UZ) für die Erfassung der Diagnosezeitspanne (DZ) und/oder die maximale Zellspannung (UZ max) für die

   Beendigung der Vorgabe verwendet wird.

   Betriebs-Minimalwertes (BM) liegt.

   5. Diagnoseverfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Prognose oder eine Simulation einer Betriebsstopp-Dauer (BSD) erfolgt, wobei die Schritte des Beendens der Vorgabe und des Erfassens der Diagnosezeitspanne (DZ) in wenigstens einem der folgen-

   den Fälle blockiert werden:

   - Betriebsstopp-Dauer (BSD) ist kürzer als eine Beschädigt-

   Diagnosezeitspanne (DZB)

   - Betriebsstopp-Dauer (BSD) ist kürzer als eine Intakt-

   Diagnosezeitspanne (DZI)

   6. Diagnoseverfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Entladestrom (IE) in Abhängigkeit der Zellspan-

   nung (UZ) vorgegeben wird, insbesondere direkt proportional.

   7. Diagnoseverfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Entladestrom (IE) bis zum Erreichen der Diagnose-Startspannung (UDS) konstant oder im Wesentlichen konstant gehalten

   wird.

   8. Diagnoseverfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für die Diagnosezeitspanne (DZ) der Entladestrom (IE) vollständig oder im Wesentlichen vollständig blockiert wird.

   9. Diagnoseverfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erfasste Diagnosezeitspanne (DZ) geprüft wird auf ein Unterschreiten einer Beschädigt-Diagnosezeitspanne (DZB) und/oder auf

   ein Überschreiten einer Intakt-Diagnosezeitspanne (DZ|).

   - Diagnose-Startspannung (UDS) - Diagnose-Endspannung (UDE)

   11. Diagnosevorrichtung (10) für eine Schädigungsdiagnose bei einem Betrieb eines Brennstoffzellensystems (100) mit einem Brennstoffzellenstapel (110) mit einem Anodenabschnitt (120) und einem Kathodenabschnitt (130), aufweisend ein Empfangsmodul (20) für ein Empfangen eines Betriebsstopp-Signals (BSS) für einen Stopp des Betriebs des Brennstoffzellensystems (100), ein Stoppmodul (30) für ein Stoppen der Gaszufuhr zum Kathodenabschnitt (130) des Brennstoffzellenstapels (110), ein Vorgabemodul (40) für eine Vorgabe eines Entladestroms (IE) zum Entladen des Brennstoffzellenstapels (110) und zum Beenden der Vorgabe des Entladestroms (IE) bei Erreichen einer Diagnose-Startspannung (UDS) am Brennstoffzellenstapel (110), ein Überwachungsmodul (50) für ein Überwachen der Zellspannung (UZ) am Brennstoffzellenstapel (100) und ein Erfassungsmodul (60) zum Erfassen einer Diagnosezeitspanne (DZ) vom Diagnose-Startzeitpunkt (DZS) bei Erreichen der Diagnose-Startspannung (UDS) bis zum Diagnose-Endzeitpunkt (DZE) bei Erreichen einer Diagnose-Endspannung (UDE), wobei das Empfangsmodul (20), das Stoppmodul (30), das Vorgabemodul (40), das Überwachungsmodul (50) und/oder das Erfassungsmodul (60) insbesondere für eine Ausführung eines Diagnoseverfahrens mit den Merkmalen eines der Ansprüche 1 bis 10 ausge-

   bildet sein.

   12. Brennstoffzellensystem (100) mit wenigstens einem Brennstoffzellenstapel (110) mit einem Anodenabschnitt (120) und einem Kathodenabschnitt (130), der Anodenabschnitt (120) aufweisend einen Anodenzuführabschnitt (122) zum Zuführen von Anodenzuführgas und einen Anodenabführabschnitt (124) zum Abführen von Anodenabgas, der Kathodenabschnitt (130) aufweisend einen Kathodenzuführabschnitt (132) zum Zuführen von Kathodenzuführgas und einen Kathodenabführabschnitt (134) zum Abführen von Kathodenabgas,

   wobei weiter eine Diagnosevorrichtung (10) mit den Merkmalen des An-

   spruchs 11 zur Durchführung eines Diagnoseverfahrens mit den Merkmalen

   eines der Ansprüche 1 bis 10 vorgesehen ist.