WO2024110290A2 - Verfahren, steuerungsvorrichtung und computerprogramm zum feststellen einer undichtigkeit in einem brennstoffzellensystem sowie dichtheitsanalysevorrichtung und brennstoffzellensystem - Google Patents

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Definitions

  • the present invention relates to a method, a control device and a computer program for determining a leak in a fuel cell system, in particular for locating the leak, as well as a leak analysis device and a fuel cell system and a use of a hydrogen sensor arranged in a fuel cell system for determining a leak in a fuel cell system, in particular for locating the leak.
  • Fuel cell systems are usually fueled with a gas mixture consisting mainly of hydrogen. It is desirable for the fueled gas mixture to have a hydrogen concentration of more than 99%. This high hydrogen concentration in the gas mixture can prevent premature aging and efficiency losses of the fuel cell.
  • Hydrogen sensors based on the thermal conductivity measurement principle are known from the state of the art.
  • the thermal conductivity of the entire gas mixture is determined, from which the concentration of hydrogen in the gas mixture can be derived, since the thermal conductivity of hydrogen is significantly greater than the thermal conductivity of many other gas components in the gas mixture.
  • the present invention is essentially based on the object of locating the location of a leak when a leak is detected in a fuel cell system. This object is achieved with a method according to independent claim 1, a control device according to claim 6, a leak analysis device according to claim 8, a fuel cell system according to claim 9, a computer program according to claim 10, a computer program product according to claim 11 and a use of a hydrogen sensor arranged in an exhaust system of a fuel cell system according to claim 12.
  • Advantageous embodiments are specified in the subclaims.
  • the present invention is essentially based on the idea of localizing a leak in a fuel cell system by evaluating the signals of a hydrogen sensor arranged in an exhaust tract of the fuel cell system, in particular whether the leak is in the membrane of the fuel cell or in a flushing valve arranged in an anode line system of the fuel cell system.
  • a leak in the fuel cell system is first detected using the hydrogen sensor arranged in the exhaust system and then the fuel cell system is switched to a diagnostic operating mode during which no gas mixture that previously interacted with the cathode can be present in the exhaust system of the fuel cell system.
  • the leak can be localized by evaluating the course of the hydrogen sensor signal received during the diagnostic operating mode from the hydrogen sensor arranged in the exhaust system of the fuel cell system.
  • a leaky membrane of the fuel cell of the fuel cell system can be determined. However, if the course of the hydrogen signal during the diagnostic operating mode is essentially not decreasing, in particular essentially constant or even increasing, the leak can be attributed to the purge valve.
  • a method for detecting a leak in a fuel cell system comprising an exhaust system.
  • the method comprises receiving a Hydrogen signal from a hydrogen sensor arranged in the exhaust system.
  • the hydrogen signal is representative of a hydrogen concentration in a gas mixture present in the exhaust system.
  • the method according to the invention further comprises sending a diagnostic signal that causes the fuel cell system to switch to a diagnostic operating mode if the received hydrogen signal indicates a hydrogen concentration value in the exhaust system that exceeds a predetermined hydrogen concentration threshold, determining that a membrane of the fuel cell of the fuel cell system is at least partially leaking because the hydrogen signal received during the diagnostic operation of the fuel cell system is substantially falling, or that a purge valve arranged in the anode line system is at least partially leaking if the hydrogen signal received during the diagnostic operation of the fuel cell system is substantially not falling, and sending a control signal that indicates that the membrane or the purge valve is at least partially leaking.
  • the leak in the fuel cell system can be localized by evaluating the hydrogen signal of the hydrogen sensor arranged in the exhaust system of the fuel cell system, in particular after a leak in the fuel cell system has been generally detected and the fuel cell system has been switched to the diagnostic operating mode.
  • the sending of the diagnostic signal comprises sending a cathode inlet valve closing signal, which causes a cathode inlet valve arranged in a cathode feed line of a cathode line system to close, and/or sending a cathode outlet valve closing signal, which causes a cathode outlet valve arranged in a cathode discharge line of the cathode line system to close.
  • the cathode feed line is designed to supply an oxygen
  • the cathode discharge line is designed to discharge the oxygen-containing gas mixture supplied to the cathode of the fuel cell system into the exhaust system.
  • the method according to the invention can be used during the diagnostic operating mode of the fuel cell system to exclude the presence of a gas mixture in the exhaust system of the fuel cell system that has previously interacted with the cathode of the fuel cell of the fuel cell system, so that the leak can be localized according to the invention.
  • the increased hydrogen concentration in the exhaust system can come either from the anode line system, in particular in the case of a leaky purge valve, or from the cathode line system, in particular in the case of a leaky membrane of the fuel cell of the fuel cell system.
  • the sending of the diagnostic signal also includes sending a bypass valve opening signal, which causes at least partial opening of a cathode bypass valve arranged in a cathode bypass line connecting the cathode supply line to the cathode discharge line.
  • determining that the membrane of the fuel cell of the fuel cell system is at least partially leaky can include determining that the hydrogen signal received during the diagnostic operation of the fuel cell system indicates a hydrogen concentration value of substantially zero.
  • determining that the purge valve of the fuel cell system is at least partially leaky can include determining that the hydrogen signal received during the diagnostic operation of the fuel cell system indicates a hydrogen concentration value that is greater than zero.
  • the diagnosis and localization of the leak can be accelerated because the exhaust system can be flushed with the gas mixture originating from the cathode line system and containing oxygen that has not flowed past the cathode of the fuel cell in such a way that any hydrogen present in the exhaust system can therefore only originate from the anode system due to a potentially leaky purge valve.
  • the transmission of the diagnostic signal comprises the transmission of a throttle valve closing signal, which causes a throttle valve arranged in the cathode discharge line downstream of the cathode outlet valve to close.
  • the cathode line system can be completely separated from the exhaust system by closing the throttle valve. If hydrogen is then still detected in the exhaust system by the hydrogen sensor, this must come from the anode line system due to a leaky flushing valve.
  • control signal is further designed to control a user interface for displaying a warning to an operator of the fuel cell system.
  • the warning informs the operator that a leak in the membrane or the flushing valve has been detected.
  • a control device which is designed to carry out the steps of the method according to one of the preceding claims.
  • control device comprises a first control device portion for carrying out the step of receiving a hydrogen signal from the hydrogen sensor, a second Control device section for carrying out the step of sending a diagnostic signal, a third control device section for carrying out the step of determining that the membrane or the flushing valve is at least partially leaking, and a fourth control device section for carrying out the step of sending a control signal.
  • a leak analysis device for a fuel cell system which comprises a hydrogen sensor configured to generate a hydrogen signal representative of a hydrogen concentration in a gas mixture present in an exhaust system of the fuel cell system, and a control device according to the invention.
  • a fuel cell system which comprises an anode, a cathode separated from the anode by a membrane, an anode line system in which a purge valve is arranged, an exhaust system which is fluidly connected to the anode line system, and a leak analysis device according to the invention.
  • a computer program which comprises instructions which, when executed by a computing unit, cause the computing unit to carry out a method according to the invention for detecting a leak in a fuel cell system.
  • a computer-readable medium is disclosed on which a computer program according to the invention is stored.
  • a use of a fuel cell system in an exhaust system arranged hydrogen sensor for detecting a leak in the fuel cell system by means of a method according to the invention is provided.
  • Fig. 1 shows a schematic representation of a fuel cell system according to the invention for a vehicle
  • Fig. 2 is a diagram showing exemplary curves of hydrogen signals from the hydrogen sensor arranged in the exhaust system of the fuel cell system of Fig. 1 in the case of a leaky membrane or leaky purge valve, and
  • Fig. 3 shows an exemplary flow chart of a method according to the invention for determining a leak in the fuel cell system of Fig. 1.
  • gas mixture describes a mixture of various gaseous components, such as hydrogen, nitrogen, air and/or an inert gas, e.g. argon.
  • the term "signal" describes raw data that is converted for data transmission into a form that can be sent over the selected transport medium. This can be done analogue or digitally, with the data first being sampled and converted into discrete (often binary-coded) values that are then sent over the medium as current pulses or voltages of varying levels. Furthermore, in the context of the present disclosure, the signals can be sent or received continuously. For example, digital signals are sent and received at intervals of a few milliseconds.
  • the term “diagnostic operating mode of the fuel cell system” describes an operating mode of the fuel cell system in which the various components and elements of the fuel cell system for diagnosing the cathode outlet valve are controlled and operated differently than in the normal operating mode, which includes any flushing processes of the anode line system.
  • a "sufficiently tight point" describes that the respective element, in a closed or intact state, blocks a respective connection path in such a way that the gas mixture flowing through the line can essentially not flow through the element.
  • an element with a leakage of approximately 0.1 standard milliliters per minute [Sml/min] at an overpressure of approximately 600 mbar can also be referred to as "sufficiently tight”. Consequently, in the context of the present disclosure, an element can be referred to as “leaky” if the leakage therethrough is above the aforementioned 0.1 Sml/min at an overpressure of approximately 600 mbar.
  • Fig. 1 shows a schematic representation of a fuel cell system 100 according to the invention for a vehicle.
  • the fuel cell system 100 comprises a fuel cell 110, such as a fuel cell stack.
  • the fuel cell 110 comprises, as is known from the prior art, an anode and a cathode, which are separated from one another by a membrane.
  • the fuel cell 110 can be a so-called PEM fuel cell, in which the membrane is a proton exchange membrane through which the protons formed at the anode can pass to the cathode.
  • the fuel cell system 100 further comprises a tank 120 in which a gas mixture consisting essentially of hydrogen is stored, preferably under pressure.
  • the tank 120 can also have valves (not explicitly shown in Fig. 1). shown) with which the inflow and outflow of the gas mixture into and out of the tank 120 can be controlled.
  • the fuel cell system 100 of Fig. 1 further comprises an anode line system 130, which is designed to supply the gas mixture flowing out of the tank 120 to the anode of the fuel cell 110 and to discharge or return the gas mixture flowing past the anode.
  • the anode line system 130 for this purpose comprises an anode feed line 132, which is fluidically connected to the tank 120 and supplies the gas mixture flowing out of the tank 120 to an anode line 134, which in turn supplies the gas mixture to the anode of the fuel cell 110.
  • the anode line system 130 further comprises an anode discharge line 136, which is fluidically connected to the anode line 134 and can discharge the gas mixture flowing through the anode line 134 and supply it to an exhaust system 150.
  • the anode line system 130 further comprises an anode return line 138, which fluidically connects the anode discharge line 136 to the anode supply line 132 and in which a return pump 139 is arranged, which is designed to return the gas mixture flowing through the anode discharge line 136 back to the anode supply line 132. Consequently, a circuit is formed between the anode supply line 132, the anode line 134, the anode discharge line 136 and the anode return line 138, in which the gas mixture can be circulated and circulated by means of the return pump 139.
  • the anode line system 130 further comprises a purge valve 137, which is arranged in the anode discharge line 136 downstream of the opening point of the anode return line 138 and is designed to open or close the anode discharge line 136.
  • the purge valve 137 is closed so that the just described circuit and circulation process of the gas mixture can be provided by means of the return pump 139.
  • a gas sensor 131 such as a hydrogen sensor, is provided in the anode line 136, which is designed to detect a hydrogen signal. which is representative of the hydrogen concentration in the anode line 136 at a position between the anode line 134 and the purge valve 137.
  • the gas sensor 131 can be a gas sensor based on the thermal conductivity principle.
  • the hydrogen signals of the hydrogen sensor 131 are preferably digital signals or data that can be processed by a data processing device that can have a processor and a memory.
  • the signals of the gas sensor 131 are also representative of a nitrogen concentration within the anode line system.
  • the gas mixture in the anode line system 130 during the normal operating mode of the fuel cell system 100 consists almost exclusively of hydrogen and nitrogen, i.e. that the sum of the hydrogen concentration and the nitrogen concentration in the anode line system
  • the fuel cell system 100 further comprises a cathode line system 140 consisting of a cathode supply line 142, a cathode line 144 connected to the cathode and a cathode discharge line 146.
  • the cathode line system 140 comprises a cathode bypass line 148, which fluidically connects the cathode supply line 142 to the cathode discharge line 146 and in which a cathode bypass valve 149 is arranged for blocking or releasing the cathode bypass line 148.
  • the cathode discharge line 146 can discharge the air supplied to the cathode via the cathode supply line 142 into the exhaust system 150.
  • a pressure sensor 141 for detecting the pressure in the cathode supply line 142 and a cathode inlet valve 145, which can be a throttle valve, for example, are arranged in the cathode supply line 142.
  • the cathode lead 146 has a cathode outlet valve 147 and a downstream of this in the cathode line 146, a pressure sensor 143 for detecting the pressure in the cathode line 146.
  • a compressor 170 for compressing the air, a water separator 172 and a throttle valve 174 are arranged in the cathode line system 140.
  • the throttle valve 174 is arranged in the cathode discharge line 146 at a position downstream of the point where the bypass line 168 opens into the cathode discharge line 146 and is designed to open or close the cathode discharge line 146. By closing the throttle valve, the cathode line system 140 can be closed in such a way that the gas mixture flow between the compressor 170 and the throttle valve 174 is deactivated or comes to a standstill.
  • the fuel cell system 100 of Fig. 1 further comprises an on-board power supply branch 102 which comprises electrical consumers.
  • the on-board power supply branch 102 describes at least a part of an electrical system which can store and distribute the electrical energy generated by the fuel cell 110.
  • both the anode line system 130 and the cathode line system 140 open into an exhaust system 150 in which a hydrogen sensor 151 is arranged, which is designed to generate a hydrogen signal that indicates the hydrogen concentration in the gas mixture (in particular exhaust gas) present in the exhaust system 150.
  • the hydrogen sensor 151 can be a gas sensor based on the thermal conductivity principle.
  • a control device 160 which can be connected to all components of the fuel cell system 100. Although no separate lines are shown for this in Fig. 1, such electrical connection lines can be present in the form of connecting lines or wires or wireless communication devices.
  • the control device 160 can have several control device sections, such as a first control device section 162, a second Control device section 164, a third control device section 166 and a fourth control device section 168, which will be discussed in more detail below with reference to Fig. 3.
  • the controller 160 may include a processor and a memory. Alternatively, the controller 160 may be the processor coupled to the memory.
  • the processor may be a central processing unit (CPU).
  • the processor may also be another general purpose processor, a digital signal processor (DSP), an application specific integrated circuit (ASIC), a field-programmable gate array (FPGA), or other programmable logic device, a discrete gate or transistor logic device, a discrete hardware component, or the like.
  • the general purpose processor may be a microprocessor, or the processor may be any conventional processor or the like.
  • the memory includes, but is not limited to, random access memory (RAM), read-only memory (ROM), erasable programmable read-only memory (EPROM), or portable read-only memory (e.g., CD-ROM).
  • RAM random access memory
  • ROM read-only memory
  • EPROM erasable programmable read-only memory
  • CD-ROM portable read-only memory
  • the memory is configured to store associated program instructions and associated data.
  • Fig. 2 shows a diagram in which exemplary curves 210, 220 of hydrogen signals from the hydrogen sensor 151 arranged in the exhaust system 150 of the fuel cell system 100 are entered.
  • the curve 210 describes the hydrogen signal received by the hydrogen sensor 151 in the case in which the membrane of the fuel cell 110 is at least partially leaky.
  • the curve 220 shows the hydrogen signal of the hydrogen sensor 151 in the case where the purge valve 137 is at least partially leaking.
  • the first time t1 indicates the time at which a leak in the fuel cell system 100 occurs.
  • the time t2 indicates the time at which the fuel cell system 100 is switched to a diagnostic operating mode.
  • the cathode inlet valve 145 and/or the cathode outlet valve 147 are closed for this purpose at the time t2.
  • the hydrogen signal of the hydrogen sensor 151 is then evaluated according to the invention in order to localize a leak detected in the fuel cell system 100, for example at the time t3, which can be approximately 5 seconds after the time t2.
  • the two curves 210, 220 of the hydrogen signal of the hydrogen sensor 151 each show a hydrogen concentration value that falls below a hydrogen concentration threshold value C_H2, such as 8%, for example. Consequently, a leak in the fuel cell system 10 can generally be determined simply because the hydrogen concentration threshold value C_H2 is exceeded.
  • the fuel cell system 100 is also in a normal operating mode in which the purge valve 137 is closed and the return pump 139 is activated.
  • the gas mixture, in particular hydrogen mixture, originating from the tank 120 is circulated or permanently circulated in the circuit between the anode feed line 132, anode line 134, anode discharge line 136 and, due to the closed purge valve 137, the anode return line 138.
  • a hydrogen concentration is determined in the exhaust system 150 which is above a predetermined hydrogen concentration threshold value C_H2, such as 8%, according to the invention by carrying out a purge process and subsequent evaluation of the hydrogen signal at time t3, the already determined general leak in the fuel cell system 100 can be additionally localized.
  • the purging valve 137 When starting a purging process of the anode line system 130 at time t1, the purging valve 137 is opened and the return pump 139 is deactivated at the same time, so that at this time the gas mixture flowing out of the tank 120, in particular the hydrogen mixture, is led through the anode feed line 132, the anode line 134 and the anode discharge line 136 directly into the exhaust system 150. If it is then determined during the purging process of the anode line system 130 that the hydrogen signal is essentially increasing (e.g. at time t2 in Fig. 2), the purging process can be determined to be completed and ended again, i.e. the purging valve 137 is closed and the return pump 139 is activated again, so that the fuel cell system 100 switches back to the normal operating mode.
  • the method of Fig. 3 starts at step 300 and then goes to step 310, at which a hydrogen signal is received from the hydrogen sensor 151 by the control device 160, in particular the first control device section 162.
  • the control device 160 in particular the first control device section 162 continuously receives the hydrogen signal from the hydrogen sensor 151. Consequently, while the method according to the invention is being carried out, (digital) hydrogen signals from the hydrogen sensor 151 are received permanently and continuously, for example at predetermined intervals, such as a few milliseconds.
  • it is determined whether the received hydrogen signal indicates a hydrogen concentration that exceeds the predetermined hydrogen concentration threshold C_H2.
  • the method returns to step 310.
  • the fuel cell system 100 can be diagnosed as leak-tight as long as the method remains at steps 310, 320.
  • step 320 if it is determined in step 320 that the received hydrogen signal indicates a hydrogen concentration value that exceeds the predetermined hydrogen concentration threshold C_H2, the method proceeds to step 330, at which the control device 160, in particular the second control device section 164, sends a diagnostic signal that causes the fuel cell system 100 to switch to a diagnostic operating mode.
  • Sending the diagnostic signal may include sending a cathode inlet valve closing signal that causes the cathode inlet valve 145 to close. Additionally or alternatively, sending the diagnostic signal may include sending a cathode outlet valve closing signal that causes the cathode outlet valve 147 to close.
  • sending the diagnostic signal may include sending a throttle valve closing signal that causes the throttle valve 174 to close.
  • the sending of the diagnostic signal ensures that no gas mixture that has flowed through the cathode line 144 and thus interacted with the cathode enters the exhaust system and that no gas mixture with hydrogen can flow from the anode line system to the cathodes. If, for example, the cathode inlet valve 145 and/or the cathode outlet valve 147 is closed, the gas from the compressor 170 The gas mixture conveyed, in particular air, can flow directly into the exhaust system 150 without coming into contact with the cathode of the fuel cell 110. Closing the throttle valve 174 means that the gas mixture flowing through the exhaust system 150 can no longer originate from the cathode line system 140. Rather, the gas mixture then flowing through the exhaust system 150 originates from the anode line system 130.
  • a hydrogen signal is received from the hydrogen sensor 151 and evaluated in a subsequent step 350. This means that the time t2 also indicates an end of a hydrogen emission.
  • step 350 If it is determined in step 350 that the hydrogen signal received at time t3 has a substantially falling profile, the method goes to step 360, at which the membrane is diagnosed as leaking.
  • the diagnostic operation of the fuel cell system 100 it can be ruled out that the hydrogen present in the exhaust system 150 and detected by the hydrogen sensor 151 originates from the cathode line system 140. Consequently, if the hydrogen signal is substantially falling at time t3, it can be assumed that the hydrogen previously present in the exhaust system 150 originates from the cathode line system 140, in particular due to a leaky membrane of the fuel cell 110.
  • the hydrogen flowing through the leaky membrane can no longer flow into the exhaust system 150, which is why the hydrogen signal is substantially falling.
  • step 350 if it is determined in step 350 that the hydrogen signal received at time t3 has a substantially non-decreasing curve, the method proceeds to step 370, where the purge valve 137 is diagnosed as leaking.
  • the purge valve 137 is diagnosed as leaking.
  • the hydrogen present in the exhaust system 150 and detected by the hydrogen sensor 151 originates from the cathode line system 140. Consequently, if the hydrogen signal does not substantially decrease at time t3, it can be assumed that the hydrogen previously present in the exhaust system 150 originates from the anode line system 130, in particular due to a leaky purge valve 137.
  • the hydrogen flowing through the purge valve 137 can continue to flow into the exhaust system 150, which is why the hydrogen signal is not decreasing.
  • the hydrogen signal can be substantially constant.
  • steps 360 or 370 The determination in steps 360 or 370 is performed by the control device 160, in particular the third control device section 166.
  • step 380 the control device 160, in particular the fourth control device section 168, can send a control signal indicating that the membrane or the flushing valve 137 is at least partially leaking before the method ends at step 390.
  • the sending of the diagnostic signal may additionally or alternatively include sending a bypass valve opening signal that causes the cathode bypass valve 149 to be at least partially opened.
  • determining that the membrane of the fuel cell 110 of the fuel cell system 100 is at least partially leaking may include determining that the hydrogen signal received during diagnostic operation of the fuel cell system indicates a hydrogen concentration value of substantially zero.
  • the purge valve 137 can again be diagnosed as being at least partially leaky. Due to the leaky purge valve 137, the gas mixture in the exhaust system consists of a hydrogen-containing gas mixture from the anode line system 130 and of fresh gas mixture from the cathode line system 140.
  • the present method therefore makes use of the fact that the hydrogen signal of a hydrogen sensor 151 arranged in the exhaust system of a fuel cell system can be used to additionally localize a general leak in the fuel cell system 100, in particular to assign it to the membrane or the flushing valve 137. This can be done in a simple manner by shutting off the gas mixture flowing through the cathode of the fuel cell 110 by evaluating the hydrogen signal of the hydrogen sensor 151 arranged in the exhaust system 150.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren, eine Steuerungsvorrichtung (160) und ein Computerprogramm zum Feststellen einer Undichtigkeit in einem Brennstoffzellensystem sowie eine Dichtheitsanalysevorrichtung (180) und ein Brennstoffzellensystem (100) und eine Verwendung eines in einem Brennstoffzellensystem (100) angeordneten Wasserstoffsensors (131) zum Feststellen einer Undichtigkeit im Brennstoffzellensystem (100). Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst ein Empfangen eines Wasserstoffsignals von einem im Abgassystem (150) angeordneten Wasserstoffsensor (151), ein Senden eines Diagnosesignals, das das Brennstoffzellensystem (100) dazu veranlasst, in einen Diagnosebetriebsmodus zu wechseln, wenn das empfangene Wasserstoffsignal einen Wasserstoffkonzentrationswert im Abgassystem (150) anzeigt, der einen vorbestimmten Wasserstoffkonzentrationsschwellenwert überschreitet, ein Feststellen, dass eine Membran der Brennstoffzelle (110) des Brennstoffzellensystems (100) zumindest teilweise undicht ist, wenn das während dem Diagnosebetrieb des Brennstoffzellensystems (100) empfangene Wasserstoffsignal im Wesentlichen fallend ist, oder dass ein im Anodenleitungssystem (130) angeordnetes Spülventil (137) zumindest teilweise undicht ist, wenn das während dem Diagnosebetrieb des Brennstoffzellensystems (100) empfangene Wasserstoffsignal im Wesentlichen nicht fallend ist, und ein Senden eines Steuersignals, das angibt, dass die Membran oder das Spülventil (137) zumindest teilweise undicht ist.

Description

Beschreibung
Verfahren, Steuerungsvorrichtung und Computerprogramm zum Feststellen einer Undichtigkeit in einem Brennstoffzellensystem sowie Dichtheitsanalysevorrichtung und Brennstoffzellensystem
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren, eine Steuerungsvorrichtung und ein Computerprogramm zum Ermitteln einer Undichtigkeit in einem Brennstoffzellensystem, insbesondere zum Lokalisieren der Undichtigkeit, sowie eine Dichtheitsanalysevorrichtung und ein Brennstoffzellensystem und eine Verwendung eines in einem Brennstoffzellensystem angeordneten Wasserstoffsensors zum Ermitteln einer Undichtigkeit in einem Brennstoffzellensystem, insbesondere zum Lokalisieren der Undichtigkeit.
Brennstoffzellensysteme werden üblicherweise mit einem im Wesentlichen aus Wasserstoff bestehenden Gasgemisch betankt. Hierzu ist es wünschenswert, dass das getankte Gasgemisch eine Wasserstoffkonzentration aufweist, die größer ist als 99 %. Diese hohe Wasserstoffkonzentration im Gasgemisch kann eine frühzeitige Alterung sowie Effizienzverluste der Brennstoffzelle vermeiden.
Aus dem Stand der Technik sind Wasserstoffsensoren bekannt, die auf dem Wärmeleitfähigkeitsmessprinzip basieren. Dabei wird die Wärmeleitfähigkeit des gesamten Gasgemischs ermittelt, woraus sich die Konzentration des Wasserstoffs im Gasgemisch ableiten lässt, da die Wärmeleitfähigkeit von Wasserstoff signifikant größer ist als die Wärmeleitfähigkeit von vielen anderen Gaskomponenten im Gasgemisch.
Aus dem Stand der Technik sind beispielsweise die US 8 795 917 B2, CN 114 838 937 A, JP 2010/067573 A, US 10 581 100 B2 und US 11 201 340 B2 bekannt.
Der vorliegenden Erfindung liegt im Wesentlichen die Aufgabe zu Grunde, bei Feststellung einer Undichtigkeit in einem Brennstoffzellensystem die Stelle der Undichtigkeit zu lokalisieren. Diese Aufgabe wird mit einem Verfahren gemäß unabhängigen Anspruch 1 , einer Steuerungsvorrichtung gemäß Anspruch 6, einer Dichtheitsanalysevorrichtung gemäß Anspruch 8, einem Brennstoffzellensystem gemäß Anspruch 9, einem Computerprogram gemäß Anspruch 10 einem Computerprogrammprodukt gemäß Anspruch 11 und einer Verwendung eines in einem Abgasstrang eines Brennstoffzellensystems angeordneten Wasserstoffsensors nach Anspruch 12 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
Der vorliegenden Erfindung liegt im Wesentlichen der Gedanke zu Grunde, beim Feststellen einer Undichtigkeit in einem Brennstoffzellensystem mittels der Auswertung der Signale eines in einem Abgastrakt des Brennstoffzellensystems angeordneten Wasserstoffsensors die Undichtigkeit zu lokalisieren, insbesondere ob die Undichtigkeit in der Membran der Brennstoffzelle oder in einem in einem Anodenleitungssystem des Brennstoffzellensystems angeordneten Spülventil begründet ist. Hierzu wird zunächst überhaupt eine Undichtigkeit im Brennstoffzellensystem mittels des im Abgassystem angeordneten Wasserstoffsensors festgestellt und daraufhin das Brennstoffzellensystem in einen Diagnosebetriebsmodus geschaltet, während dem im Abgassystem des Brennstoffzellensystems kein Gasgemisch vorliegen kann, das zuvor mit der Kathode in Wechselwirkung stand. Durch Auswerten des Verlaufs des während dem Diagnosebetriebsmodus empfangenen Wasserstoffsensorsignals des im Abgassystem des Brennstoffzellensystems angeordneten Wasserstoffsensors kann eine Lokalisierung der Undichtigkeit durchgeführt werden. Ist der Verlauf des Wasserstoffsignals während dem Diagnosebetriebsmodus im Wesentlichen abfallend, kann eine undichte Membran der Brennstoffzelle des Brennstoffzellensystems festgestellt werden. Ist der Verlauf des Wasserstoffsignals während dem Diagnosebetriebsmodus jedoch im Wesentlichen nicht fallend, insbesondere im Wesentlichen konstant oder sogar steigend, kann die undichte Stelle dem Spülventil zugeordnet werden.
Folglich ist gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zum Feststellen einer Undichtigkeit in einem Brennstoffzellensystem offenbart, das ein Abgassystem umfasst. Das Verfahren weist ein Empfangen eines Wasserstoffsignals von einem im Abgassystem angeordneten Wasserstoffsensor auf. Dabei ist das Wasserstoffsignal repräsentativ für eine Wasserstoffkonzentration in einem im Abgassystem vorhandenen Gasgemisch. Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst ferner ein Senden eines Diagnosesignals, das das Brennstoffzellensystem dazu veranlasst, in einen Diagnosebetriebsmodus zu wechseln, wenn das empfangene Wasserstoffsignal einen Wasserstoffkonzentrationswert im Abgassystem anzeigt, der einen vorbestimmten Wasserstoffkonzentrationsschwellenwert überschreitet, ein Feststellen, dass eine Membran der Brennstoffzelle des Brennstoffzellensystems zumindest teilweise undicht ist, denn das während dem Diagnosebetrieb des Brennstoffzellensystems empfangene Wasserstoffsignal im Wesentlichen fallend ist, oder dass ein im Anodenleitungssystem angeordnetes Spülventil zumindest teilweise undicht ist, wenn das während dem Diagnosebetrieb des Brennstoffzellensystems empfangene Wasserstoffsignal im Wesentlichen nicht fallend ist, und ein Senden eines Steuersignals, das angibt, dass die Membran oder das Spülventil zumindest teilweise undicht ist.
Folglich kann mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens durch Auswertung des Wasserstoffsignals des im Abgassystem des Brennstoffzellensystems angeordneten Wasserstoffsensors die undichte Stelle im Brennstoffzellensystem lokalisiert werden, insbesondere nachdem allgemein eine Undichtigkeit im Brennstoffzellensystem festgestellt und das Brennstoffzellensystem in den Diagnosebetriebsmodus geschaltet wurde.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens weist das Senden des Diagnosesignals ein Senden eines Kathodeneingangsventils-Schließsignals, das ein Schließen eines in einer Kathodenzuleitung eines Kathodenleitungssystems angeordneten Kathodeneingangsventils bewirkt, und/oder ein Senden eines Kathodenausgangsventil-Schließsignals auf, das ein Schließen eines in einer Kathodenableitung des Kathodenleitungssystems angeordneten Kathodenausgangsventils bewirkt. Die Kathodenzuleitung ist dabei dazu ausgebildet, einer Kathode des Brennstoffzellensystems ein Sauerstoff aufweisendes Gasgemisch zuzuführen. Die Kathodenableitung ist dazu ausgebildet, dass der Kathode des Brennstoffzellensystems zugeführte Sauerstoff aufweisende Gasgemisch in das Abgassystem abzuleiten.
Gemäß dieser bevorzugten Ausgestaltung kann mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens während dem Diagnosebetriebsmodus des Brennstoffzellensystems ausgeschlossen werden, dass im Abgassystem des Brennstoffzellensystems ein zuvor mit der Kathode der Brennstoffzelle des Brennstoffzellensystems in Wechselwirkung gestandenes Gasgemisch vorliegt, so dass die erfindungsgemäße Lokalisierung der Undichtigkeit erfolgen kann. Dabei kann die erhöhte Wasserstoffkonzentration im Abgassystem entweder aus dem Anodenleitungssystem, insbesondere bei einem undichten Spülventil, oder aus dem Kathodenleitungssystem, insbesondere bei einer undichten Membran der Brennstoffzelle des Brennstoffzellensystems, stammen. Durch das Abschließen der Kathodenleitung, die mit der Kathode der Brennstoffzelle des Brennstoffzellensystem in Verbindung steht, kann die Lokalisierung der Undichtigkeit auf einfache Weise erfolgen.
Dabei kann es ferner vorteilhaft sein, dass das Senden des Diagnosesignals ferner ein Senden eines Bypassventils-Öffnungssignals aufweist, das ein zumindest teilweises Öffnen eines in einer die Kathodenzuleitung mit der Kathodenableitung verbindenden Kathodenbypassleitung angeordneten Kathodenbypassventils bewirkt. Dabei kann das Feststellen, dass die Membran der Brennstoffzelle des Brennstoffzellensystems zumindest teilweise undicht ist, ein Feststellen aufweisen, dass das während dem Diagnosebetrieb des Brennstoffzellensystems empfangene Wasserstoffsignal einen Wasserstoffkonzentrationswert von im Wesentlichen Null anzeigt. Zusätzlich oder alternativ kann das Feststellen, dass das Spülventil des Brennstoffzellensystems zumindest teilweise undicht ist, ein Feststellen aufweisen, dass das während dem Diagnosebetrieb des Brennstoffzellensystems empfangene Wasserstoffsignal einen Wasserstoffkonzentrationswert anzeigt, der größer als Null ist. Durch das Senden des Bypassventil-Öffnungssignals kann die Diagnose und Lokalisierung der Undichtigkeit beschleunigt werden, da das Abgassystem mit dem aus dem Kathodenleitungssystem stammenden und Sauerstoff aufweisenden Gasgemischs, das nicht an der Kathode der Brennstoffzelle vorbeigeströmt ist, derart ausgespült werden, dass folglich etwaiger im Abgassystem vorhandener Wasserstoff ausschließlich aus dem Anodensystem aufgrund eines potentiell undichten Spülventils stammen kann.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens weist das Senden des Diagnosesignals ein Senden eines Drosselventil-Schließsignals auf, das ein Schließen eines in der Kathodenableitung stromabwärts des Kathodenausgangsventils angeordneten Drosselventils bewirkt.
Gemäß einer solchen vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann mittels des Schließens des Drosselventils ein vollständiges Abtrennen des Kathodenleitungssystem vom Abgassystem herbeigeführt werden. Wenn daraufhin noch Wasserstoff im Abgassystem mittels des Wasserstoffsensors erfasst wird, müsste dieser aus dem Anodenleitungssystem aufgrund eines undichten Spülventils stammen.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist das Steuersignal ferner zum Ansteuern einer Bedienerschnittstelle zum Anzeigen einer Warnung an einen Bediener des Brennstoffzellensystems ausgebildet. Die Warnung informiert den Bediener darüber, dass eine Undichtigkeit der Membran oder des Spülventils festgestellt worden ist.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine Steuerungsvorrichtung offenbart, die dazu ausgebildet ist, die Schritte des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche auszuführen.
Vorzugsweise umfasst die Steuerungsvorrichtung einen ersten Steuerungsvorrichtungsabschnitt zum Ausführen des Schrittes des Empfangens eines Wasserstoffsignals vom Wasserstoffsensor, einen zweiten Steuerungsvorrichtungsabschnitt zum Ausführen des Schrittes des Sendens eines Diagnosesignals, einen dritten Steuerungsvorrichtungsabschnitt zum Ausführen des Schrittes des Feststellens, dass die Membran oder das Spülventil zumindest teilweise undicht ist, und einen vierten Steuerungsvorrichtungsabschnitt zum Ausführen des Schrittes zum Senden eines Steuersignals.
Gemäß einem noch weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine Dichtheitsanalysevorrichtung für ein Brennstoffzellensystem offenbart, die einen Wasserstoffsensor, der dazu ausgebildet ist, ein Wasserstoffsignal zu erzeugen, das repräsentativ ist für eine Wasserstoffkonzentration in einem in einem Abgassystem des Brennstoffzellensystems vorhandenen Gasgemischs, und eine erfindungsgemäße Steuerungsvorrichtung aufweist.
Gemäß einem noch weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Brennstoffzellensystem offenbart, das eine Anode, eine mittels einer Membran von der Anode getrennte Kathode, ein Anodenleitungssystem, in dem ein Spülventil angeordnet ist, ein Abgassystem, das mit dem Anodenleitungssystem fluidverbunden ist, und eine erfindungsgemäße Dichtheitsanalysevorrichtung aufweist.
Gemäß einem noch weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Computerprogramm offenbart, das Befehle umfasst, die, wenn sie von einer Recheneinheit ausgeführt werden, die Recheneinheit veranlassen, ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Feststellen einer Undichtigkeit in einem Brennstoffzellensystem auszuführen.
Gemäß einem noch weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein computerlesbares Medium offenbart, auf dem ein erfindungsgemäßes Computerprogramm gespeichert ist.
Gemäß einem noch weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine Verwendung eines in einem Abgassystem eines Brennstoffzellensystems angeordneten Wasserstoffsensors zum Feststellen einer Undichtigkeit im Brennstoffzellensystems mittels eines erfindungsgemäßen Verfahrens offenbart.
Weitere Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung werden dem Fachmann durch Ausüben der hierin beschriebenen Lehre und Betrachten der beiliegenden einzigen Zeichnung ersichtlich, in denen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems für ein Fahrzeug zeigt,
Fig. 2 ein Diagramm, in dem beispielhafte Verläufe von Wasserstoffsignalen des im Abgassystem des Brennstoffzellensystems der Fig. 1 angeordneten Wasserstoffsensors eingetragen sind bei undichter Membran bzw. undichtem Spülventil, und
Fig. 3 ein beispielhaftes Ablaufdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Ermitteln einer Undichtigkeit im Brennstoffzellensystems der Fig. 1 zeigt.
Im Rahmen der vorliegenden Offenbarung beschreibt der Begriff „Gasgemisch“ ein Gemisch aus verschiedenen gasförmigen Komponenten, wie beispielsweise Wasserstoff, Stickstoff, Luft und/oder ein Inertgas, z. B. Argon.
Im Rahmen der vorliegenden Offenbarung beschreibt der Begriff „Signal“ Rohdaten, die zur Datenübertragung in eine Form umgewandelt werden, die über das gewählte Transportmedium geschickt werden kann. Dies kann analog oder digital geschehen, wobei die Daten erst abgetastet und in diskrete (häufig binär codierte) Werte umgesetzt werden, die dann als Stromstöße oder unterschiedlich hohe Spannungen über das Medium geschickt werden. Ferner können im Rahmen der vorliegenden Offenbarung die Signale kontinuierlich gesendet bzw. empfangen werden. Beispielsweise erfolgen das Senden und Empfangen von digitalen Signalen im Abstand von wenigen Millisekunden. Im Rahmen der vorliegenden Offenbarung beschreibt der Begriff „Diagnosebetriebsmodus des Brennstoffzellensystems“ einen Betriebsmodus des Brennstoffzellensystems, in dem die verschiedenen Bauteile und Elemente des Brennstoffzellensystems zur Diagnose des Kathodenausgangsventils unterschiedlich als im normalen Betriebsmodus, der etwaige Spülvorgänge des Anodenleitungssystems umfasst, angesteuert und betrieben werden.
Im Rahmen der vorliegenden Offenbarung beschreibt eine „ausreichend dichte Stelle“, dass das jeweilige Element in einem geschlossenen oder intakten Zustand, einen jeweiligen Verbindungspfad, derart versperrt, dass das durch die Leitung strömende Gasgemisch im Wesentlichen nicht durch das Element hindurch strömen kann. Jedoch liegt es auch im Rahmen der vorliegenden Offenbarung, dass ein Element mit einer Leckage von ungefähr 0,1 Standardmilliliter pro Minute [Sml/min] bei einem Überdruck von ungefähr 600 mbar ebenfalls als „ausreichend dicht“ bezeichnet werden kann. Folglich kann im Rahmen der vorliegenden Offenbarung ein Element als „undicht“ bezeichnet werden, wenn die Leckage dahindurch oberhalb der genannten 0,1 Sml/min bei einem Überdruck von ungefähr 600 mbar liegt.
Die Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems 100 für ein Fahrzeug. Das Brennstoffzellensystem 100 umfasst eine Brennstoffzelle 110, wie beispielsweise ein Brennstoffzellen-Stack. Die Brennstoffzelle 110 umfasst dabei, wie es aus dem Stand der Technik bekannt ist, eine Anode und eine Kathode, die durch eine Membran voneinander getrennt sind. Beispielsweise kann es sich bei der Brennstoffzelle 110 um eine sogenannte PEM-Brennstoffzelle handeln, bei der die Membran eine Protonenaustauschmembran ist, durch die die an der Anode gebildeten Protonen hindurch zur Kathode gelangen können.
Das Brennstoffzellensystem 100 umfasst ferner einen Tank 120, in dem ein Gasgemisch, vorzugsweise unter Druck, gespeichert ist, das im Wesentlichen aus Wasserstoff besteht. Der Tank 120 kann zudem Ventile (in der Fig. 1 nicht explizit dargestellt) aufweisen, mit denen das Ein- und Ausströmen des Gasgemischs in den Tank 120 hinein und aus dem Tank 120 heraus gesteuert werden können.
Das Brennstoffzellensystem 100 der Fig. 1 umfasst ferner ein Anodenleitungssystem 130, das dazu ausgebildet ist, das aus dem Tank 120 ausströmende Gasgemisch der Anode der Brennstoffzelle 110 zuzuführen und das an der Anode vorbeigeströmte Gasgemisch abzuleiten bzw. zurückzuführen. Das Anodenleitungssystem 130 umfasst hierzu eine Anodenzuleitung 132, die mit dem Tank 120 fluidverbunden ist und das aus dem Tank 120 ausströmende Gasgemisch einer Anodenleitung 134 zuführt, die wiederum das Gasgemisch der Anode der Brennstoffzelle 110 zuführt. Das Anodenleitungssystem 130 umfasst ferner eine Anodenableitung 136, die mit der Anodenleitung 134 fluidverbunden ist und das durch die Anodenleitung 134 geströmte Gasgemisch ableiten und einem Abgassystem 150 zuführen kann. Das Anodenleitungssystem 130 umfasst ferner eine Anodenrückführleitung 138, die die Anodenableitung 136 mit der Anodenzuleitung 132 fluidverbindet und in der eine Rückführpumpe 139 angeordnet ist, die dazu ausgebildet ist, das durch die Anodenableitung 136 strömende Gasgemisch wieder der Anodenzuleitung 132 zurückzuführen. Folglich bildet sich zwischen der Anodenzuleitung 132, der Anodenleitung 134, der Anodenableitung 136 und der Anodenrückführleitung 138 ein Kreislauf aus, in dem das Gasgemisch mittels der Rückführpumpe 139 umgewälzt und im Kreis geführt werden kann.
Das Anodenleitungssystem 130 umfasst ferner ein Spülventil 137, das in der Anodenableitung 136 stromabwärts der Mündungsstelle der Anodenrückführleitung 138 angeordnet und dazu ausgebildet ist, die Anodenableitung 136 freizugeben oder zu sperren. In einem normalen Betriebsmodus der Brennstoffzelle 110 ist das Spülventil 137 geschlossen, so dass mittels der Rückführpumpe 139 der soeben beschriebene Kreislauf und Umwälzvorgang des Gasgemischs bereitgestellt werden kann.
Ferner ist in der Anodenableitung 136 ein Gassensor 131 , wie beispielsweise ein Wasserstoffsensor, vorgesehen, der dazu ausgebildet ist, ein Wasserstoffsignal zu erzeugen, das für die Wasserstoffkonzentration in der Anodenableitung 136 an einer Position zwischen der Anodenleitung 134 und dem Spülventil 137 repräsentativ ist. Der Gassensor 131 kann dabei ein auf dem Wärmeleitfähigkeitsprinzip basierender Gassensor sein. Die Wasserstoffsignale des Wasserstoffsensors 131 sind bevorzugt digitale Signale bzw. Daten, die von einer Datenverarbeitungsvorrichtung, die einen Prozessor und einen Speicher aufweisen kann, verarbeitet werden können.
Während des normalen Betriebsmodus des Brennstoffzellensystems 100 bildet sich innerhalb des zuvor beschriebenen Kreislaufs eine steigende Stickstoffkonzentration aus, weshalb die Signale des Gassensors 131 ferner für eine Stickstoffkonzentration innerhalb des Anodenleitungssystems repräsentativ sind. Insbesondere kann qualitativ ausgesagt werden, dass das sich während des normalen Betriebsmodus des Brennstoffzellensystems 100 im Anodenleitungssystem 130 befindliche Gasgemisch nahezu ausschließlich aus Wasserstoff und Stickstoff besteht, d. h., dass die Summe aus Wasserstoffkonzentration und Stickstoffkonzentration im Anodenleitungssystem
130 insgesamt 100 % ergibt. Folglich kann anhand des Signals des Gassensors
131 sowohl die Wasserstoffkonzentration als auch die Stickstoffkonzentration im Anodenleitungssystem 130 ermittelt werden.
Das Brennstoffzellensystem 100 umfasst ferner ein Kathodenleitungssystem 140 bestehend aus einer Kathodenzuleitung 142, einer mit der Kathode verbundene Kathodenleitung 144 und einer Kathodenableitung 146. Zudem umfasst das Kathodenleitungssystem 140 eine Kathodenbypassleitung 148, die die Kathodenzuleitung 142 mit der Kathodenableitung 146 fluidverbindet und in dem ein Kathodenbypassventil 149 zum Sperren oder Freigeben der Kathodenbypassleitung 148 angeordnet ist. Die Kathodenableitung 146 kann die über die Kathodenzuleitung 142 der Kathode zugeführte Luft in das Abgassystem 150 ableiten. In der Kathodenzuleitung 142 sind ein Drucksensor 141 zum Erfassen des Drucks in der Kathodenzuleitung 142 und ein Kathodeneingangsventil 145 angeordnet, das beispielsweise ein Drosselklappenventil sein kann. In ähnlicher Weise weist die Kathodenableitung 146 ein Kathodenausgangsventil 147 und einen stromabwärts davon in der Kathodenableitung 146 angeordneten Drucksensor 143 zum Erfassen des Drucks in der Kathodenableitung 146 auf. Zudem sind im Kathodenleitungssystem 140 ein Kompressor 170 zum Verdichten der Luft, ein Wasserabscheider 172 und ein Drosselventil 174 angeordnet.
Das Drosselventil 174 ist in der Kathodenableitung 146 an einer Position stromabwärts der Mündungsstelle der Bypasleitung 168 in die Kathodenableitung 146 angeordnet und dazu ausgebildet, die Kathodenableitung 146 freizugeben oder zu sperren. Durch Schließen des Drosselventils kann das Kathodenleitungssystem 140 derart gesperrt sein, dass der Gasgemischstrom zwischen Kompressor 170 und Drosselventil 174 deaktiviert ist bzw. zum Erliegen kommt.
Das Brennstoffzellensystem 100 der Fig. 1 weist ferner einen Bordnetzzweig 102 auf, der elektrische Verbraucher umfasst. Insbesondere beschreibt der Bordnetzzweig 102 zumindest einen Teil eines elektrischen Systems, das die von der Brennstoffzelle 110 erzeugte elektrische Energie speichern und verteilen kann.
Wie bereits beschrieben münden sowohl das Anodenleitungssystem 130 als auch das Kathodenleitungssystem 140 in ein Abgassystem 150, in dem ein Wasserstoffsensor 151 angeordnet ist, der dazu ausgebildet ist, ein Wasserstoffsignal zu erzeugen, das die Wasserstoffkonzentration in dem im Abgassystem 150 vorhandenen Gasgemisch (insbesondere Abgas) angibt. Der Wasserstoffsensor 151 kann dabei ein auf dem Wärmeleitfähigkeitsprinzip basierender Gassensor sein.
Aus der Fig. 1 ist ferner ersichtlich, dass eine Steuerungsvorrichtung 160 vorgesehen ist, die mit sämtlichen Bauelementen des Brennstoffzellensystems 100 verbunden sein kann. Obwohl hierfür keine separaten Leitungen in der Fig. 1 eingezeichnet sind, können solche elektrischen Verbindungsleitungen in Form von Verbindungsleitungen bzw. -drähten oder drahtlosen Kommunikationseinrichtungen vorhanden sein. Die Steuerungsvorrichtung 160 kann mehrere Steuerungsvorrichtungsabschnitte aufweisen, wie beispielsweise einen ersten Steuerungsvorrichtungsabschnitt 162, einen zweiten Steuerungsvorrichtungsabschnitt 164, einen dritten Steuerungsvorrichtungsabschnitt 166 und einen vierten Steuerungsvorrichtungsabschnitt 168, auf die mit Bezug auf die Fig. 3 weiter unten näher eingegangen wird.
Die Steuerungsvorrichtung 160 kann einen Prozessor bzw. eine Recheneinheit und einen Speicher aufweisen. Alternativ kann die Steuerungsvorrichtung 160 der Prozessor bzw. die Recheneinheit sein, die mit dem Speicher verbunden ist. Der Prozessor kann eine zentrale Verarbeitungseinheit (Central Processing Unit, CPU) sein. Der Prozessor kann ferner ein weiterer Allzweckprozessor, ein digitaler Signalprozessor (Digital Signal Processor, DSP), eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung (Application Specific Integrated Circuit, ASIC), ein feldprogrammierbares Gate-Array (Field-Programmable Gate Array, FPGA) sein, oder ein anderes programmierbares Logikgerät, ein diskretes Gatter- oder Transistorlogikgerät, eine diskrete Hardwarekomponente oder dergleichen. Der Allzweckprozessor kann ein Mikroprozessor sein, oder der Prozessor kann ein beliebiger herkömmlicher Prozessor oder dergleichen sein.
Der Speicher umfasst, ist aber nicht darauf beschränkt, einen Random Access Memory (RAM), einen Read-Only Memory (ROM), einen löschbaren programmierbaren Read-Only Memory (EPROM) oder einen portablen Read-Only Memory (z.B. CD-ROM). Der Speicher ist konfiguriert, um zugehörige Programmanweisungen und zugehörige Daten zu speichern.
Der Wasserstoffsensor 151 bildet zusammen mit der Steuerungsvorrichtung 160 eine Dichtigkeitsanalysevorrichtung 180 für das Brennstoffzellensystem 100.
Die Fig. 2 zeigt ein Diagramm, in dem beispielhafte Verläufe 210, 220 von Wasserstoffsignalen des im Abgassystem 150 des Brennstoffzellensystems 100 angeordneten Wasserstoffsensors 151 eingetragen sind. Insbesondere beschreibt der Verlauf 210 das vom Wasserstoffsensor 151 empfangene Wasserstoffsignal in dem Fall, in dem die Membran der Brennstoffzelle 110 zumindest teilweise undicht ist, wohingegen der Verlauf 220 das Wasserstoffsignal des Wasserstoffsensors 151 in dem Fall zeigt, in dem das Spülventil 137 zumindest teilweise undicht ist.
In der Fig. 2 gibt der erste Zeitpunkt t1 denjenigen Zeitpunkt an, an dem eine Undichtigkeit des Brennstoffzellensystems 100 auftritt. Der Zeitpunkt t2 gibt denjenigen Zeitpunkt an, an dem das Brennstoffzellensystem 100 in einen Diagnosebetriebsmodus geschalten wird. Insbesondere werden hierzu zum Zeitpunkt t2 das Kathodeneingangsventil 145 und//oder das Kathodenausgangsventil 147 geschlossen. Nach dem Zeitpunkt t2 erfolgt dann das erfindungsgemäße Auswerten des Wasserstoffsignals des Wasserstoffsensors 151 , um eine im Brennstoffzellensystem 100 detektierte Undichtigkeit zu lokalisieren, beispielweise zum Zeitpunkt t3, der ungefähr 5 Sekunden nach dem Zeitpunkt t2 liegen kann.
Vor dem Zeitpunkt t1 in der Fig. 2 zeigen die beiden Verläufe 210, 220 des Wasserstoffsignals des Wasserstoffsensors 151 jeweils einen einen Wasserstoffkonzentrationsschwellenwerts C_H2, wie beispielsweise 8 %, unterschreitenden Wasserstoffkonzentrationswert an. Folglich kann bereits aufgrund des Überschreitens des Wasserstoffkonzentrationsschwellenwerts C_H2 allgemein eine Undichtigkeit des Brennstoffzellensystems 10 festgestellt werden.
Vor dem Zeitpunkt t1 befindet sich das Brennstoffzellensystem 100 ferner in einem normalen Betriebsmodus, bei dem das Spülventil 137 geschlossen und die Rückführpumpe 139 aktiviert ist. Während dem normalen Betriebsmodus des Brennstoffzellensystems 100 wird, wie bereits beschrieben, das aus dem Tank 120 stammende Gasgemisch, insbesondere Wasserstoffgemisch, in dem Kreislauf zwischen der Anodenzuleitung 132, Anodenleitung 134, Anodenableitung 136 und, aufgrund des geschlossenen Spülventils 137, der Anodenrückführleitung 138 zirkuliert beziehungsweise dauerhaft umgewälzt. Wird während diesem normalen Betriebsmodus vor dem Zeitpunkt t1 eine Wasserstoffkonzentration im Abgassystem 150 ermittelt, die oberhalb eines vorbestimmten Wasserstoffkonzentrationsschwellenwerts C_H2, wie beispielsweise 8 %, liegt, kann erfindungsgemäß mittels Durchführen eines Spülvorgangs und anschließendem Auswerten des Wasserstoffsignals zum Zeitpunkt t3 die bereits festgestellte allgemeine Undichtigkeit des Brennstoffzellensystems 100 zusätzlich noch lokalisiert werden.
Beim Starten eines Spülvorgangs des Anodenleitungssystems 130 zum Zeitpunkt t1 werden gleichzeitig das Spülventil 137 geöffnet und die Rückführpumpe 139 deaktiviert, so dass zu diesem Zeitpunkt das aus dem Tank 120 ausströmende Gasgemisch, insbesondere Wasserstoffgemisch, durch die Anodenzuleitung 132, die Anodenleitung 134 und die Anodenableitung 136 direkt in das Abgassystem 150 geführt werden. Wird während dem Spülvorgang des Anodenleitungssystems 130 dann festgestellt, dass das Wasserstoffsignal im Wesentlichen steigt (z. B. zum Zeitpunkt t2 in der Fig. 2), kann der Spülvorgang als abgeschlossen bestimmt und wieder beendet werden, das heißt, dass das Spülventil 137 geschlossen und die Rückführpumpe 139 wieder aktiviert wird, so dass das Brennstoffzellensystem 100 wieder in den normalen Betriebsmodus wechselt.
Im Folgenden wird unter zusätzlicher Bezugnahme auf das in der Fig. 3 gezeigte Ablaufdiagramm eine beispielhafte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Feststellen und Lokalisieren der Undichtigkeit im Brennstoffzellensystem 100 der Fig. 1 beschrieben.
Das Verfahren der Fig. 3 startet beim Schritt 300 und gelangt dann zum Schritt 310, an dem durch Steuerungsvorrichtung 160, insbesondere den ersten Steuerungsvorrichtungsabschnitt 162, ein Wasserstoffsignal vom Wasserstoffsensor 151 empfangen wird. An dieser Stelle ist nochmals darauf hinzuweisen, dass die Steuerungsvorrichtung 160, insbesondere der erste Steuerungsvorrichtungsabschnitt 162, das Wasserstoffsignal des Wasserstoffsensors 151 kontinuierlich empfängt. Folglich werden während dem Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens dauerhaft und kontinuierlich, beispielsweise in zeitlich vorbestimmten Abständen, wie wenigen Millisekunden, (digitale) Wasserstoffsignale des Wasserstoffsensors 151 empfangen. In einem darauffolgenden Schritt 320 wird ermittelt, ob das empfangene Wasserstoffsignal eine Wasserstoffkonzentration anzeigt, die den vorbestimmten Wasserstoffkonzentrationsschwellenwert C_H2 überschreitet. Insbesondere liegt beim Überschreiten des vorbestimmten Wasserstoffkonzentrationsschwellenwerts C_H2 eine erhöhte Entzündungsgefahr des im Abgassystem 150 vorhandenen Gasgemischs vor. Wird beim Schritt 320 ermittelt, dass das empfangene Wasserstoffsignal eine Wasserstoffkonzentration anzeigt, die den vorbestimmten Wasserstoffkonzentrationsschwellenwert C_H2 nicht überschreitet, gelangt das Verfahren wieder zurück zum Schritt 310. Das Brennstoffzellensystem 100 kann als dicht diagnostiziert werden, solange das Verfahren bei den Schritten 310, 320 verbleibt.
Wird jedoch beim Schritt 320 ermittelt, dass das empfangene Wasserstoffsignal einen Wasserstoffkonzentrationswert anzeigt, der den vorbestimmten Wasserstoffkonzentrationsschwellenwert C_H2 überschreitet, gelangt das Verfahren zum Schritt 330, an dem die Steuerungsvorrichtung 160, insbesondere der zweite Steuerungsvorrichtungsabschnitt 164, ein Diagnosesignal sendet, das das Brennstoffzellensystem 100 dazu veranlasst, in einen Diagnosebetriebsmodus zu wechseln. Das Senden des Diagnosesignals kann ein Senden eines Kathodeneingangsventil-Schließsignals aufweisen, das ein Schließen des Kathodeneingangsventils 145 bewirkt. Zusätzlich oder alternativ weist das Senden des Diagnosesignals ein Senden eines Kathodenausgangsventil-Schließsignals aufweisen, das ein Schließen des Kathodenausgangsventils 147 bewirkt.
Zusätzlich oder alternativ kann das Senden des Diagnosesignals ein Senden eines Drosselventil-Schließsignals aufweisen, das ein Schließen des Drosselventils 174 bewirkt.
Allgemein bewirkt das Senden des Diagnosesignals, dass kein durch die Kathodenleitung 144 geströmtes und somit mit der Kathode in Wechselwirkung gewesenes Gasgemisch in den Abgasstrang gelangt und auch kann Gasgemisch mit Wasserstoff aus dem Anodenleitungssystem an die Kathoden fließen kann. Wird beispielsweise das Kathodeneingangsventil 145 und/oder das Kathodenausgangsventil 147 geschlossen, kann das vom Kompressor 170 geförderte Gasgemisch, insbesondere Luft, direkt ins Abgassystem 150 strömen, ohne mit der Kathode der Brennstoffzelle 110 in Kontakt zu gelangen. Ein Schließen des Drosselventils 174 bewirkt, dass das durch das Abgassystem 150 strömende Gasgemisch nicht mehr aus dem Kathodenleitungssystem 140 stammen kann. Vielmehr stammt das dann durch das Abgassystem 150 strömende Gasgemisch aus dem Anodenleitungssystem 130.
In einem darauffolgenden Schritt 340 wird nach einer vorbestimmten Zeitdauer, wie beispielsweise ungefähr 5 Sekunden (siehe Zeitraum zwischen t2 und t3 in der Fig. 2), nach dem festgestellten Zeitpunkt t2 des Endes des Spülvorgangs des Anodenleitungssystem 130 ein Wasserstoffsignal vom Wasserstoffsensor 151 empfangen und bei einem darauffolgenden Schritt 350 ausgewertet. Das heißt, dass der Zeitpunkt t2 auch ein Ende eines Wasserstoff-Ausstoßes angibt.
Wird beim Schritt 350 festgestellt, dass das zum Zeitpunkt t3 empfangene Wasserstoffsignal einen im Wesentlichen fallenden Verlauf aufweist, gelangt das Verfahren zum Schritt 360, an dem die Membran als undicht diagnostiziert wird. Insbesondere kann aufgrund des Diagnosebetriebs des Brennstoffzellensystems 100 ausgeschlossen werden, dass der im Abgassystem 150 vorhandene und vom Wasserstoffsensor 151 erfasste Wasserstoff aus dem Kathodenleitungssystem 140 stammt. Folglich kann bei einem zum Zeitpunkt t3 im Wesentlichen abfallenden Wasserstoffsignal davon ausgegangen werden, dass der zuvor im Abgassystem 150 vorhandene Wasserstoff aus dem Kathodenleitungssystem 140 stammt, insbesondere aufgrund einer undichten Membran der Brennstoffzelle 110. Aufgrund des Diagnosebetriebs des Brennstoffzellensystem, beispielsweise durch Schließen des Kathodeneingangsventils 145 und/oder des Kathodenausgangsventils 147, kann der durch die undichte Membran strömende Wasserstoff nicht mehr ins Abgassystem 150 strömen, weshalb das Wasserstoffsignal im Wesentlichen fallend ist.
Wird jedoch beim Schritt 350 festgestellt, dass das zum Zeitpunkt t3 empfangene Wasserstoffsignal einen im Wesentlichen nicht fallenden Verlauf aufweist, gelangt das Verfahren zum Schritt 370, an dem das Spülventil 137 als undicht diagnostiziert wird. Insbesondere kann aufgrund des Diagnosebetriebs des Brennstoffzellensystems 100 ausgeschlossen werden, dass der im Abgassystem 150 vorhandene und vom Wasserstoffsensor 151 erfasste Wasserstoff aus dem Kathodenleitungssystem 140 stammt. Folglich kann bei einem zum Zeitpunkt t3 im Wesentlichen nicht abfallenden Wasserstoffsignal davon ausgegangen werden, dass der zuvor im Abgassystem 150 vorhandene Wasserstoff aus dem Anodenleitungssystem 130 stammt, insbesondere aufgrund eines undichten Spülventils 137. Aufgrund des Diagnosebetriebs des Brennstoffzellensystem, beispielsweise durch Schließen des Kathodeneingangsventils 145 und/oder des Kathodenausgangsventils 147, kann der durch das Spülventil 137 strömende Wasserstoff weiterhin ins Abgassystem 150 strömen, weshalb das Wasserstoffsignal nicht fallend ist. Beispielsweise kann das Wasserstoffsignal im Wesentlichen konstant sein.
Das Feststellen bei den Schritten 360 oder 370 wird von der Steuerungsvorrichtung 160, insbesondere dem dritten Steuerungsvorrichtungsabschnitt 166, durchgeführt.
Nach den Schritten 360, 370 gelangt das Verfahren jeweils zum Schritt 380, an dem die Steuerungsvorrichtung 160, insbesondere der vierte Steuerungsvorrichtungsabschnitt 168, ein Steuersignal senden kann, das angibt, dass die Membran oder das Spülventil 137 zumindest teilweise undicht ist, bevor das Verfahren beim Schritt 390 endet.
Zum Beschleunigen der soeben beschriebenen Diagnose kann es vorteilhaft sein, nach dem Schließen des Kathodeneingangsventils 145 und/oder des Kathodenausgangsventils 147 noch zusätzlich das Kathodenbypassventil 149 zumindest teilweise zu öffnen. Folglich kann das Senden des Diagnosesignals noch zusätzlich oder alternativ ein Senden eines Bypassventil-Öffnungssignals aufweisen, das ein zumindest teilweises Öffnen des Kathodenbypassventils 149 bewirkt. Dadurch kann erreicht werden, dass das zuvor im Abgassystem 150 vorhandene Gasgemisch durch frisches, vom Kompressor 170 gefördertes Gasgemisch schneller aus dem Abgassystem 150 herausgespült werden kann. Dabei kann das Feststellen, dass die Membran der Brennstoffzelle 110 des Brennstoffzellensystems 100 zumindest teilweise undicht ist (siehe Schritt 350), ein Feststellen aufweisen, dass das während dem Diagnosebetrieb des Brennstoffzellensystems empfangene Wasserstoffsignal einen Wasserstoffkonzentrationswert von im Wesentlichen Null anzeigt.
Wird jedoch festgestellt, dass das während dem Diagnosebetrieb des Brennstoffzellensystems 100 empfangene Wasserstoffsignal einen Wasserstoffkonzentrationswert anzeigt, der größer als Null ist, kann wiederum das Spülventil 137 als zumindest teilweise undicht diagnostiziert werden. Aufgrund des undichten Spülventils 137 besteht dabei das Gasgemisch im Abgasstrang aus einem Wasserstoff aufweisenden Gasgemisch aus dem Anodenleitungssystem 130 und aus frischem Gasgemisch aus dem Kathodenleitungssystem 140.
Das vorliegende Verfahren macht sich folglich zu Nutze, dass das Wasserstoffsignal eines im Abgassystem eines Brennstoffzellensystems angeordneten Wasserstoffsensors 151 dazu verwendet werden kann, bei einer festgestellten allgemeinen Undichtigkeit im Brennstoffzellensystem 100 zusätzlich noch die Undichtigkeit zu lokalisieren, insbesondere der Membran oder dem Spülventil 137 zuzuordnen. Dies kann auf einfache Weise durch ein Absperren des durch die Kathode der Brennstoffzelle 110 strömenden Gasgemischs durch Auswerten des Wasserstoffsignals des im Abgassystem 150 angeordneten Wasserstoffsensors 151 erfolgen.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Feststellen einer Undichtigkeit in einem Brennstoffzellensystem (100), das ein Abgassystem (150) umfasst, wobei das Verfahren aufweist:
Empfangen eines Wasserstoffsignals von einem im Abgassystem (150) angeordneten Wasserstoffsensor (151 ), wobei das Wasserstoffsignal repräsentativ ist für eine Wasserstoffkonzentration in einem im Abgassystem (150) vorhandenen Gasgemischs,
Senden eines Diagnosesignals, das das Brennstoffzellensystem (100) dazu veranlasst, in einen Diagnosebetriebsmodus zu wechseln, wenn das empfangene Wasserstoffsignal einen Wasserstoffkonzentrationswert im Abgassystem (150) anzeigt, der einen vorbestimmten Wasserstoffkonzentrationsschwellenwert überschreitet,
Feststellen, dass eine Membran der Brennstoffzelle (110) des Brennstoffzellensystems (100) zumindest teilweise undicht ist, wenn das während dem Diagnosebetrieb des Brennstoffzellensystems (100) empfangene Wasserstoffsignal im Wesentlichen fallend ist, oder dass ein im Anodenleitungssystem (130) angeordnetes Spülventil (137) zumindest teilweise undicht ist, wenn das während dem Diagnosebetrieb des Brennstoffzellensystems (100) empfangene Wasserstoffsignal im Wesentlichen nicht fallend ist, und
Senden eines Steuersignals, das angibt, dass die Membran oder das Spülventil (137) zumindest teilweise undicht ist.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , wobei das Senden des Diagnosesignals aufweist:
Senden eines Kathodeneingangsventil-Schließsignals, das ein Schließen eines in einer Kathodenzuleitung (142) eines Kathodenleitungssystems (140) angeordneten Kathodeneingangsventils (145) bewirkt, wobei die Kathodenzuleitung (142) dazu ausgebildet ist, einer Kathode des Brennstoffzellensystems ein Sauerstoff aufweisendes Gasgemisch zuzuführen, und/oder Senden eines Kathodenausgangsventil-Schließsignals, das ein Schließen eines in einer Kathodenableitung (146) des Kathodenleitungssystems (140) angeordneten Kathodenausgangsventils (147) bewirkt, wobei die Kathodenableitung (146) dazu ausgebildet ist, das der Kathode des Brennstoffzellensystems (100) zugeführte, Sauerstoff aufweisende Gasgemisch in das Abgassystem (150) abzuleiten.
3. Verfahren nach Anspruch 2, wobei das Senden des Diagnosesignals ferner aufweist:
Senden eines Bypassventil-Öffnungssignals, das ein zumindest teilweises Öffnen eines in einer die Kathodenzuleitung (145) mit der Kathodenableitung (146) verbindenden Kathodenbypassleitung (148) angeordneten Kathodenbypassventils (149) bewirkt, wobei das Feststellen, dass die Membran der Brennstoffzelle (110) des Brennstoffzellensystems (100) zumindest teilweise undicht ist, ein Feststellen aufweist, dass das während dem Diagnosebetrieb des Brennstoffzellensystems (100) empfangene Wasserstoffsignal einen Wasserstoffkonzentrationswert von im Wesentlichen Null anzeigt, und/oder wobei das Feststellen, dass das Spülventil (137) des Brennstoffzellensystems (100) zumindest teilweise undicht ist, ein Feststellen aufweist, dass das während dem Diagnosebetrieb des Brennstoffzellensystems (100) empfangene Wasserstoffsignal einen Wasserstoffkonzentrationswert anzeigt, der größer als Null ist.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Senden des Diagnosesignals aufweist:
Senden eines Drosselventil-Schließsignals, das ein Schließen eines in der Kathodenableitung (142) stromabwärts das Kathodenausgangsventils (147) angeordneten Drosselventils (145) bewirkt.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Steuersignal zum Ansteuern einer Bedienerschnittstelle zum Anzeigen einer Warnung an einen Bediener des Brennstoffzellensystems (100) ausgebildet ist, wobei die Warnung den Bediener darüber informiert, dass eine Undichtigkeit der Membran oder des Spülventils (137) festgestellt worden ist.
6. Steuerungsvorrichtung (160), die dazu ausgebildet ist, die Schritte des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche auszuführen.
7. Steuerungsvorrichtung (160) nach Anspruch 6, aufweisend: einen ersten Steuerungsvorrichtungsabschnitt (162) zum
Ausführen des Schrittes des Empfangens eines Wasserstoffsignals vom Wasserstoffsensor (151 ), einen zweiten Steuerungsvorrichtungsabschnitt (164) zum Ausführen des Schrittes des Sendens eines Diagnosesignals, einen dritten Steuerungsvorrichtungsabschnitt (166) zum Ausführen des Schrittes des Feststellens, dass die Membran oder das Spülventil (137) zumindest teilweise undicht ist, und einen vierten Steuerungsvorrichtungsabschnitt (168) zum Ausführen des Schrittes des Sendens eines Steuersignals.
8. Dichtheitsanalysevorrichtung (180) für ein Brennstoffzellensystem (100), mit: einem Wasserstoffsensor (151 ), der dazu ausgebildet ist, ein Wasserstoffsignal zu erzeugen, das repräsentativ ist für eine Wasserstoffkonzentration in einem in einem Abgassystem (150) des Brennstoffzellensystems (100) vorhandenen Gasgemischs, und einer Steuerungsvorrichtung (160) nach einem der Ansprüche 6 und 7.
9. Brennstoffzellensystem (100), mit: einer Anode, einer mittels einer Membran von der Anode getrennte Kathode, einem Anodenleitungssystem (130), in dem ein Spülventil (137) angeordnet ist, einem Abgassystem (150), das mit dem Anodenleitungssystem
(130) fluidverbunden ist, und einer Dichtheitsanalysevorrichtung (180) nach Anspruch 8. 10. Computerprogramm, umfassend Befehle, die, wenn sie von einer
Recheneinheit ausgeführt werden, die Recheneinheit veranlassen, ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5 auszuführen.
11. Computerlesbares Medium, auf dem das Computerprogramm nach Anspruch 10 gespeichert ist.
12. Verwendung eines in einem Abgassystem (150) eines Brennstoffzellensystems (100) angeordneten Wasserstoffsensors (151 ) zum Feststellen einer Undichtigkeit im Brennstoffzellensystem (100) mittels eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5.
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