DE102017208604A1 - Verfahren zur Erkennung einer Leckage in einem Brennstoffzellensystem und Brennstoffzellensystem - Google Patents

Verfahren zur Erkennung einer Leckage in einem Brennstoffzellensystem und Brennstoffzellensystem Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erkennung einer Leckage in einem Brennstoffzellensystem (1), welches eine Brennstoffzelleneinheit (3) mit einer Anode (21) und einer Kathode (22), einen Druckgasspeicher (36), einen Druckminderer (70) und einen Injektor (72) aufweist, und umfasset folgende Schritte: Bestimmung einer in einem vorgegebenen Zeitintervall aus dem Druckgasspeicher (36) abfließenden Abflussmenge (Mab) an Brennstoff; Bestimmung einer in dem vorgegebenen Zeitintervall durch den Injektor (72) fließenden Durchflussmenge (Mdurch) an Brennstoff; Vergleich der Abflussmenge (Mab) an Brennstoff mit der Durchflussmenge (Mdurch) an Brennstoff; Erzeugen eines Fehlersignals, wenn eine Differenz aus der Abflussmenge (Mab) und der Durchflussmenge (Mdurch) einen vorgegebenen Grenzwert überschreitet. Die Erfindung betrifft auch ein Brennstoffzellensystem (1), welches eine Brennstoffzelleneinheit (3) mit einer Anode (21) und einer Kathode (22), einen Druckgasspeicher (36), einen Druckminderer (70) und einen Injektor (72) umfasst Dabei sind Mittel zur Bestimmung einer in einem vorgegebenen Zeitintervall aus dem Druckgasspeicher (36) abfließenden Abflussmenge (Mab) an Brennstoff und Mittel zur Bestimmung einer in dem vorgegebenen Zeitintervall durch den Injektor (72) fließenden Durchflussmenge (Mdurch) an Brennstoff vorgesehen.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erkennung einer Leckage in einem Brennstoffzellensystem, welches eine Brennstoffzelleneinheit mit einer Anode und einer Kathode, einen Druckgasspeicher, einen Druckminderer und einen Injektor aufweist. Die Erfindung betrifft auch ein Brennstoffzellensystem, auf welches das erfindungsgemäße Verfahren anwendbar ist.
  • Stand der Technik
  • Eine Brennstoffzelle ist eine galvanische Zelle, welche die chemische Reaktionsenergie eines kontinuierlich zugeführten Brennstoffes und eines Oxidationsmittels in elektrische Energie wandelt. Eine Brennstoffzelle ist also ein elektrochemischer Energiewandler. Bei bekannten Brennstoffzellen werden insbesondere Wasserstoff (H2) und Sauerstoff (02) in Wasser (H2O), elektrische Energie und Wärme gewandelt.
  • Brennstoffzellen weisen ferner eine Anode und eine Kathode auf. Der Brennstoff wird an der Anode der Brennstoffzelle zugeführt und katalytisch unter Abgabe von Elektronen zu Protonen oxidiert. Die Protonen gelangen durch die Membran zu der Kathode. Die abgegebenen Elektronen werden aus der Brennstoffzelle abgeleitet und fließen über einen externen Stromkreis zu der Kathode. Das Oxidationsmittel wird an der Kathode der Brennstoffzelle zugeführt und reagiert durch Aufnahme der Elektronen aus dem externen Stromkreis und mit Protonen, die durch die Membran zur Kathode gelangt sind, zu Wasser. Das so entstandene Produktwasser wird aus der Brennstoffzelle abgeleitet. Die Bruttoreaktion lautet: O2 + 4H+ + 4e- → 2H2O
  • Zwischen der Anode und der Kathode der Brennstoffzelle liegt dabei eine Spannung an. Zur Erhöhung der Spannung können mehrere Brennstoffzellen mechanisch hintereinander zu einem Brennstoffzellenstapel angeordnet und elektrisch in Reihe geschaltet werden.
  • Ein gattungsgemäßes Brennstoffzellensystem, insbesondere zur Verwendung in Kraftfahrzeugen, ist aus der DE 10 2014 013 670 A1 bekannt. Das Brennstoffzellensystem umfasst eine Brennstoffzelleneinheit, welche mehrere Brennstoffzellen aufweist, mit einer Anode und einer Kathode. Wasserstoff als Brennstoff wird in einem Druckgasspeicher gespeichert und über ein Druckregelventil der Anode zugeführt. Luft, welche Sauerstoff als Oxidationsmittel enthält, wird der Kathode durch einen elektrisch angetriebenen Kompressor oder Verdichter zugeführt.
  • Aus der DE 10 2016 110 620 A1 ist ebenfalls ein gattungsgemäßes Brennstoffzellensystem bekannt. Das Brennstoffzellensystem umfasst dabei zusätzlich eine Zirkulationspumpe. Ein Überschuss an Wasserstoff wird von der Anode abgeführt und durch die Zirkulationspumpe dem frischen Wasserstoff beigemischt.
  • Die DE 10 2006 023 433 A1 beschreibt einen Druckregler, der mehrere Ventilstufen umfasst um das Reduzierungsverhältnis des Reglers zu erhöhen und eine besondere Anwendung für eine Anodeneingangsseite eines Brennstoffzellensystems besitzt. Eine Druckregelung erfolgt mittels eines Durchflusssteuerdruckreglers, wobei eine Membrananordnung mit Doppelmembran vorgesehen ist. Wenn eine erste Membran Wasserstoff durchlässt, kann ein Leck detektiert werden, bevor der Wasserstoff die zweite Membran und die Luftseite des Druckreglers erreicht.
  • Die DE 102 31 208 A1 beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Untersuchung eines Brennstoffzellensystems. Das Verfahren bzw. die Vorrichtung sind ausgelegt um zu prüfen, ob das Brennstoffzellensystem auf der Anodenseite und/oder Kathodenseite gasdicht ist und/oder ob eine Leckage zwischen der Anodenseite und der Kathodenseite des Brennstoffzellensystems gegeben ist.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Es wird ein Verfahren zur Erkennung einer Leckage in einem Brennstoffzellensystem vorgeschlagen. Das Brennstoffzellensystem weist dabei eine Brennstoffzelleneinheit mit einer Anode und einer Kathode, einen Druckgasspeicher, einen Druckminderer und einen Injektor auf. Dabei ist der Druckgasspeicher über eine Hochdruckleitung mit dem Druckminderer verbunden, der Druckminderer ist über eine Mitteldruckleitung mit dem Injektor verbunden, und der Injektor ist über eine Einblasleitung mit der Brennstoffzelleneinheit verbunden.
  • In einem Schritt a) erfolgt eine Bestimmung einer in einem vorgegebenen Zeitintervall aus dem Druckgasspeicher abfließenden Abflussmenge an Brennstoff. Der Brennstoff fließt insbesondere von dem Druckgasspeicher durch die Hochdruckleitung zu dem Druckminderer. Das Zeitintervall beträgt beispielsweise eine Minute.
  • In einem Schritt b) erfolgt eine Bestimmung einer in dem vorgegebenen Zeitintervall durch den Injektor fließenden Durchflussmenge an Brennstoff. Der Brennstoff fließt insbesondere von dem Druckminderer durch die Mitteldruckleitung zu dem Injektor und weiter durch die Einblasleitung zu der Brennstoffzelleneinheit.
  • In einem Schritt c) erfolgt ein Vergleich der in Schritt a) bestimmten Abflussmenge an Brennstoff mit der in Schritt b) bestimmten Durchflussmenge an Brennstoff. Dabei wird insbesondere eine Differenz aus der Abflussmenge und der Durchflussmenge gebildet.
  • Wenn die Differenz aus Abflussmenge Mab und der Durchflussmenge Mdurch einen vorgegebenen Grenzwert GW überschreitet, so wird in einem Schritt d) ein Fehlersignal erzeugt. Das Fehlersignal wird also erzeugt, wenn gilt: Mab-Mdurch>GW
    Figure DE102017208604A1_0001
  • Wenn die Differenz aus der aus dem Druckgasspeicher abfließenden Abflussmenge an Brennstoff und der durch den Injektor fließenden Durchflussmenge an Brennstoff den vorgegebenen Grenzwert überschreitet, so lässt sich auf eine Leckage in dem Brennstoffzellensystem schließen. Das Fehlersignal weist somit auf eine erkannte Leckage in dem Brennstoffzellensystem hin.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird in dem Schritt a) zur Bestimmung der in dem vorgegebenen Zeitintervall aus dem Druckgasspeicher abfließenden Abflussmenge an Brennstoff zu Beginn des Zeitintervalls eine in dem Druckgasspeicher enthaltene erste Menge an Brennstoff berechnet. Am Ende des Zeitintervalls wird eine in dem Druckgasspeicher enthaltene zweite Menge an Brennstoff berechnet. Die Abflussmenge Mab wird dann als Differenz aus der ersten Menge M1 und der zweiten Menge M2 berechnet. Es gilt somit: Mab=M1-M2
    Figure DE102017208604A1_0002
  • Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird zur Berechnung der ersten Menge an Brennstoff sowie zur Berechnung der zweiten Menge an Brennstoff ein Hochdruck in dem Druckgasspeicher oder in der zwischen dem Druckgasspeicher und dem Druckminderer angeordneten Hochdruckleitung gemessen. Ebenso wird eine Brennstofftemperatur in dem Druckgasspeicher oder in der Hochdruckleitung gemessen. Aus dem Hochdruck P1, der Brennstofftemperatur T1 und weiteren Größen wird dann die erste Menge M1 an Brennstoff und/oder die zweite Menge M2 an Brennstoff berechnet. Zu den weiteren Größen zählen insbesondere:
    der Normaldruck P0 = 1013 hPA,
    die Normaltemperatur T0 = 298 K,
    die molare Masse des Brennstoffs M = 2 g (für Wasserstoff als Brennstoff),
    das molare Volumen Vm = 22,4 l
    sowie ein Nettovolumen V0 des Druckgasspeichers. Es gilt: M1=P1/P0*T1/T0*M/Vm*V0  ( zu Beginn des Zeitintervalls )
    Figure DE102017208604A1_0003
     M2=P1/P0*T1/T0*M/Vm*V0  ( an Ende des Zeitintervalls )
    Figure DE102017208604A1_0004
  • Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird in dem Schritt b) zur Bestimmung der in dem vorgegebenen Zeitintervall durch den Injektor fließenden Durchflussmenge an Brennstoff während des Zeitintervalls ein Mitteldruck in der zwischen dem Druckminderer und dem Injektor angeordneten Mitteldruckleitung gemessen, und es wird ein Einblasdruck in einer zwischen dem Injektor und der Brennstoffzelleneinheit angeordneten Einblasleitung gemessen. Aus dem Mitteldruck und dem Einblasdruck wird dann mittels einer entsprechenden Kennlinie des Injektors die Durchflussmenge berechnet.
  • Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird der Injektor mittels Pulsweitenmodulation gesteuert, wobei die Pulsweitenmodulation einen Tastgrad aufweist. Die Kennlinie des Injektors beschreibt dabei eine Abhängigkeit der Durchflussmenge Mdurch von dem Mitteldruck P2, dem Einblasdruck P3 und dem Tastgrad Ta während des Zeitintervalls. Die Kennlinie des Injektors kann durch eine mathematische Funktion F beschrieben werden. Es gilt: Mdurch=F ( P 2,  P 3,  Ta )
    Figure DE102017208604A1_0005
  • Der Mitteldruck P2, der Einblasdruck P3 und der Tastgrad Ta können sich während des Zeitintervalls ändern. Zur Ermittlung der Durchflussmenge Mdurch wird daher beispielsweise während des Zeitintervalls eine Durchflussrate kontinuierlich mittels einer entsprechenden Funktion ermittelt. Die ermittelte Durchflussrate wird über das Zeitintervall integriert, und die Durchflussmenge Mdurch entspricht dem Integral der ermittelten Durchflussrate über das Zeitintervall. Zur praktischen Ermittlung der Durchflussmenge Mdurch wird beispielsweise mittels einer entsprechenden Funktion für viele einzelne Zeitpunkte innerhalb des Zeitintervalls jeweils eine diskrete Durchflussrate ermittelt. Die ermittelten diskreten Durchflussraten werden addiert, und die Durchflussmenge Mdurch entspricht dann der Summe der diskreten Durchflussraten.
  • Die Kennlinie beschreibt eine gegenseitige Abhängigkeit physikalischer Größen des Injektors. Durch eine genaue Fertigung des Injektors und Kenntnis des eingesetzten Injektors ist dem Fachmann die Kennlinie des Injektors bekannt. Die Kennlinie stellt dabei ein theoretisches Modell des Injektors dar. Die Genauigkeit der Kennlinie kann durch Vermessung des Injektors angepasst und optimiert werden. Die Optimierung erfolgt beispielsweise durch Einbringen weiterer Parameter in das theoretische Modell.
  • Das Verfahren kann auch annährend kontinuierlich durchgeführt werden, in dem die Werte der Abflussmenge Mab und der Durchflussmenge Mdurch wiederholt, insbesondere zyklisch, bestimmt werden. Beispielsweise können die Werte der ersten Menge M1 in einem Ringbuffer gespeichert werden. Zu einem jeweils aktuellen Zeitpunkt kann der Wert der zweiten Menge M2 direkt bestimmt werden, und der Wert der ersten Menge M1 kann für einen definierten Zeitpunkt aus der Vergangenheit aus dem Ringbuffer entnommen werden.
  • Es wird auch ein Brennstoffzellensystem vorgeschlagen, welches eine Brennstoffzelleneinheit mit einer Anode und einer Kathode, einen Druckgasspeicher, einen Druckminderer und einen Injektor umfasst. Dabei ist der Druckgasspeicher über eine Hochdruckleitung mit dem Druckminderer verbunden, der Druckminderer ist über eine Mitteldruckleitung mit dem Injektor verbunden, und der Injektor ist über eine Einblasleitung mit der Brennstoffzelleneinheit verbunden.
  • Erfindungsgemäß sind Mittel zur Bestimmung einer in einem vorgegebenen Zeitintervall aus dem Druckgasspeicher abfließenden Abflussmenge an Brennstoff vorgesehen, und es sind Mittel zur Bestimmung einer in dem vorgegebenen Zeitintervall durch den Injektor fließenden Durchflussmenge an Brennstoff vorgesehen.
  • Durch die Bestimmung der in einem vorgegebenen Zeitintervall aus dem Druckgasspeicher abfließenden Abflussmenge an Brennstoff und die Bestimmung der in dem vorgegebenen Zeitintervall durch den Injektor fließenden Durchflussmenge an Brennstoff ist eine Leckage in dem Brennstoffzellensystem erkennbar.
  • Vorzugsweise sind auch Mittel zum Vergleich der Abflussmenge an Brennstoff mit der Durchflussmenge an Brennstoff vorgesehen. Besagte Mittel sind beispielsweise in Form einer elektronischen Schaltung realisierbar.
  • Vorzugsweise sind auch Mittel zum Erzeugen eines Fehlersignals, wenn eine Differenz aus der Abflussmenge und der Durchflussmenge einen vorgegebenen Grenzwert überschreitet, vorgesehen. Besagte Mittel sind beispielsweise in Form einer elektronischen Schaltung realisierbar.
  • Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung umfassen die Mittel zur Bestimmung der in dem vorgegebenen Zeitintervall aus dem Druckgasspeicher abfließenden Abflussmenge an Brennstoff einen ersten Drucksensor, welcher in dem Druckgasspeicher oder in der zwischen dem Druckgasspeicher und dem Druckminderer angeordneten Hochdruckleitung angeordnet ist, und einen Temperatursensor, welcher in dem Druckgasspeicher oder in der zwischen dem Druckgasspeicher und dem Druckminderer angeordneten Hochdruckleitung angeordnet ist.
  • Der erste Drucksensor und der Temperatursensor sind somit stromaufwärts des Druckminderers angeordnet und messen einen Hochdruck des Brennstoffs sowie eine Brennstofftemperatur. Der Hochdruck des Brennstoffs in dem Druckgasspeicher sowie in der Hochdruckleitung liegt beispielsweise in einem Bereich von bis zu 350 bar oder bis zu 700 bar bei einem vollen Druckgasspeicher. Während des Betriebs wird der Druckgasspeicher beispielsweise dann bis hinunter auf etwa 20 bar entleert.
  • Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung umfassen die Mittel zur Bestimmung der in dem vorgegebenen Zeitintervall durch den Injektor fließenden Durchflussmenge an Brennstoff einen zweiten Drucksensor, welcher in der zwischen dem Druckminderer und dem Injektor angeordneten Mitteldruckleitung angeordnet ist, und einen dritten Drucksensor, welcher in der zwischen dem Injektor und der Brennstoffzelleneinheit angeordneten Einblasleitung angeordnet ist.
  • Der zweite Drucksensor ist somit stromabwärts des Druckminderers und stromaufwärts des Injektors angeordnet und misst einen Mitteldruck des Brennstoffs. Der Mitteldruck des Brennstoffs in der Mitteldruckleitung liegt beispielsweise in einem Bereich von 9 bar bis 13 bar oder von 10 bar bis 20 bar.
  • Der dritte Drucksensor ist somit stromabwärts des Injektors und stromaufwärts der Brennstoffzelleneinheit angeordnet und misst einen Einblasdruck des Brennstoffs. Der Einblasdruck des Brennstoffs in der Einblasleitung liegt beispielsweise in einem Bereich von 1 bar bis 3 bar.
  • Vorzugsweise ist der Injektor mittels Pulsweitenmodulation ansteuerbar, welche einen Tastgrad aufweist. Dabei ist eine Abhängigkeit der Durchflussmenge von einem von dem zweiten Drucksensor gemessenen Mitteldruck, einem von dem dritten Drucksensor gemessenen Einblasdruck und dem Tastgrad durch eine Kennlinie des Injektors beschreibbar.
  • Ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Betrieb eines Brennstoffzellensystems sowie ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem finden vorteilhaft Verwendung in einem Kraftfahrzeug.
  • Vorteile der Erfindung
  • Das erfindungsgemäße Verfahren gestattet eine Erkennung einer Leckage in einem Brennstoffzellensystem, insbesondere einer Undichtigkeit in einer Leitung zwischen dem Druckgasspeicher und der Anode der Brennstoffzelleneinheit im laufenden Betrieb des Brennstoffzellensystems. Dabei wird kein separater Durchflussmesser benötigt. Darüber hinaus ist auch keine externe Sensorik zur Bestimmung des Brennstoffs, insbesondere zum Nachweis von Wasserstoff, außerhalb des Brennstoffzellensystems erforderlich. Die Erkennung einer Leckage in dem Brennstoffzellensystem ist dabei mit verhältnismäßig hoher Genauigkeit und in verhältnismäßig kurzer Zeit, beispielsweise innerhalb einer Minute, durchführbar.
  • Figurenliste
  • Ausführungsformen der Erfindung werden anhand der Zeichnung und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
  • Es zeigt:
    • 1 eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellensystems.
  • Ausführungsformen der Erfindung
  • In der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsformen der Erfindung werden gleiche oder ähnliche Elemente mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente in Einzelfällen verzichtet wird. Die Figuren stellen den Gegenstand der Erfindung nur schematisch dar.
  • 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellensystems 1. Das Brennstoffzellensystem 1 umfasst eine Brennstoffzelleneinheit 3, welche mehrere, hier nicht explizit dargestellte Brennstoffzellen aufweist. Die Brennstoffzelleneinheit 3 weist eine Anode 21 und eine Kathode 22 auf. Die einzelnen Brennstoffzellen weisen jeweils negative Elektroden auf, welche gemeinsam die Anode 21 der Brennstoffzelleneinheit 3 bilden. Die einzelnen Brennstoffzellen weisen jeweils positive Elektroden auf, welche gemeinsam die Kathode 22 der Brennstoffzelleneinheit 3 bilden.
  • Die Brennstoffzelleneinheit 3 weist ein negatives Terminal 11 auf, welches elektrisch mit der Anode 21 verbunden ist. Ebenso weist die Brennstoffzelleneinheit 3 ein positives Terminal 12 auf, welches elektrisch mit der Kathode 22 verbunden ist. Zwischen dem negativen Terminal 11 und dem positiven Terminal 12 der Brennstoffzelleneinheit 3 liegt im Betrieb des Brennstoffzellensystems 1 eine elektrische Spannung an.
  • Das negative Terminal 11 und das positive Terminal 12 der Brennstoffzelleneinheit 3 sind mit einem hier nicht dargestellten Bordnetz eines Kraftfahrzeugs verbunden. Zur Kühlung der Brennstoffzelleneinheit 3 ist eine hier nicht dargestellte Kühleinrichtung vorgesehen.
  • Das Brennstoffzellensystem 1 umfasst einen Druckgasspeicher 36 zur Speicherung eines Brennstoffs, insbesondere Wasserstoff. Der Druckgasspeicher 36 ist über eine Hochdruckleitung 41 mit einem Druckminderer 70 verbunden. In dem Druckgasspeicher 36 sowie in der Hochdruckleitung 41 herrscht ein Hochdruck P1 von beispielsweise 350 bar bis 700 bar. Der Druckminderer 70 ist über eine Mitteldruckleitung 42 mit einem Injektor 72 verbunden. Der Druckminderer 70 reduziert den Druck in der Mitteldruckleitung 42 derart, dass in der Mitteldruckleitung 42 beispielsweise ein Mitteldruck P2 von 10 bar bis 20 bar herrscht.
  • Der Injektor 72 ist über eine Einblasleitung 43 mit der Brennstoffzelleneinheit 3, insbesondere mit der Anode 21, verbunden. Der Injektor 72 reduziert den Druck in der Einblasleitung 43 derart, dass in der Einblasleitung 43 beispielsweise ein Einblasdruck P3 von 1 bar bis 3 bar herrscht. Die Einblasleitung 43 dient zur Zuführung des Brennstoffs, insbesondere Wasserstoff, zu der Anode 21 der Brennstoffzelleneinheit 3.
  • Im Betrieb des Brennstoffzellensystems 1 fließt der Brennstoff, insbesondere Wasserstoff, in eine erste Strömungsrichtung 51 von dem Druckgasspeicher 36 zu der Anode 21 der Brennstoffzelleneinheit 3. Das Brennstoffzellensystem 1 umfasst auch eine erste Abfuhrleitung 57 zur Abführung von überschüssigem Brennstoff von der Anode 21.
  • An der ersten Abfuhrleitung 57 ist ein hier nicht dargestellter Wasserabscheider vorgesehen. In dem Wasserabscheider wird Wasser von dem Brennstoff getrennt. Der Brennstoff wird dabei mittels einer hier nicht dargestellten Zirkulationspumpe über die Einblasleitung 43 wieder der Anode 21 der Brennstoffzelleneinheit 3 zugeführt.
  • Das Brennstoffzellensystem 1 umfasst ferner eine Zufuhrleitung 66 zur Zuführung eines Oxidationsmittels, insbesondere Luft mit Sauerstoff, zu der Kathode 22. Dazu ist die Zufuhrleitung 66 beispielsweise mit einem hier nicht dargestellten Kompressor verbunden. Der Kompressor saugt Luft über einen Luftfilter an, komprimiert die angesaugte Luft und führt die komprimierte Luft in einer zweiten Strömungsrichtung 61 zu der Kathode 22 der Brennstoffzelleneinheit 3.
  • Das Brennstoffzellensystem 1 umfasst auch eine zweite Abfuhrleitung 67 zur Abführung von überschüssigem Oxidationsmittel von der Kathode 22. Die zweite Abfuhrleitung 67 dient auch zur Abführung von Produktwasser, welches durch die elektrochemische Reaktion in den Brennstoffzellen der Brennstoffzelleneinheit 3 entsteht.
  • Ein erster Drucksensor 45 ist in der zwischen dem Druckgasspeicher 36 und dem Druckminderer 70 angeordneten Hochdruckleitung 41 angeordnet. Der erste Drucksensor 45 kann alternativ auch in dem Druckgasspeicher 36 angeordnet sein. Der erste Drucksensor 45 dient zur Messung des Hochdrucks P1.
  • Ein Temperatursensor 44 ist ebenfalls in der zwischen dem Druckgasspeicher 36 und dem Druckminderer 70 angeordneten Hochdruckleitung 41 angeordnet. Der Temperatursensor 44 kann alternativ auch in dem Druckgasspeicher 36 angeordnet sein. Der Temperatursensor 44 dient zur Messung einer Brennstofftemperatur T1.
  • Ein zweiter Drucksensor 46 ist in der zwischen dem Druckminderer 70 und dem Injektor 72 angeordneten Mitteldruckleitung 42 angeordnet. Der zweite Drucksensor 46 dient zur Messung des Mitteldrucks P2. Ein dritter Drucksensor 47 ist in der zwischen dem Injektor 72 und der Brennstoffzelleneinheit 3 angeordneten Einblasleitung 43 angeordnet. Der dritte Drucksensor 47 dient zur Messung des Einblasdrucks P3.
  • Der erste Drucksensor 45 und der Temperatursensor 44 sind stromaufwärts des Druckminderers 70 angeordnet. Der zweite Drucksensor 46 ist stromabwärts des Druckminderers 70 und stromaufwärts des Injektors 72 angeordnet. Der dritte Drucksensor 47 ist stromabwärts des Injektors 72 und stromaufwärts der Brennstoffzelleneinheit 3 angeordnet.
  • Der Injektor 72 ist vorliegend mittels Pulsweitenmodulation ansteuerbar. Die Pulsweitenmodulation weist einen variablen Tastgrad Ta auf. Eine Kennlinie des Injektors 72 beschreibt einen Zusammenhang zwischen dem von dem zweiten Drucksensor 46 gemessenen Mitteldruck P2, dem von dem dritten Drucksensor 47 gemessenen Einblasdruck P3 und dem Tastgrad Ta.
  • Der erste Drucksensor 45 und der Temperatursensor 44 dienen zur Bestimmung einer in einem vorgegebenen Zeitintervall aus dem Druckgasspeicher 36 abfließenden Abflussmenge Mab an Brennstoff. Der zweite Drucksensor 46 und der dritte Drucksensor 47 dienen zur Bestimmung einer in dem vorgegebenen Zeitintervall durch den Injektor 72 fließenden Durchflussmenge Mdurch an Brennstoff.
  • Die Erfindung ist nicht auf die hier beschriebenen Ausführungsbeispiele und die darin hervorgehobenen Aspekte beschränkt. Vielmehr ist innerhalb des durch die Ansprüche angegebenen Bereichs eine Vielzahl von Abwandlungen möglich, die im Rahmen fachmännischen Handelns liegen.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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    • DE 10231208 A1 [0008]

Claims (10)

  1. Verfahren zur Erkennung einer Leckage in einem Brennstoffzellensystem (1), welches eine Brennstoffzelleneinheit (3) mit einer Anode (21) und einer Kathode (22), einen Druckgasspeicher (36), einen Druckminderer (70) und einen Injektor (72) aufweist, umfassend folgende Schritte: a. Bestimmung einer in einem vorgegebenen Zeitintervall aus dem Druckgasspeicher (36) abfließenden Abflussmenge (Mab) an Brennstoff; b. Bestimmung einer in dem vorgegebenen Zeitintervall durch den Injektor (72) fließenden Durchflussmenge (Mdurch) an Brennstoff; c. Vergleich der Abflussmenge (Mab) an Brennstoff mit der Durchflussmenge (Mdurch) an Brennstoff; d. Erzeugen eines Fehlersignals, wenn eine Differenz aus der Abflussmenge (Mab) und der Durchflussmenge (Mdurch) einen vorgegebenen Grenzwert (GW) überschreitet.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei in Schritt a) zu Beginn des Zeitintervalls eine in dem Druckgasspeicher (36) enthaltene erste Menge (M1) an Brennstoff berechnet wird, am Ende des Zeitintervalls eine in dem Druckgasspeicher (36) enthaltene zweite Menge (M2) an Brennstoff berechnet wird, und die Abflussmenge (Mab) als Differenz aus der ersten Menge (M1) und der zweiten Menge (M2) berechnet wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, wobei ein Hochdruck (P1) in dem Druckgasspeicher (36) oder in einer zwischen dem Druckgasspeicher (36) und dem Druckminderer (70) angeordneten Hochdruckleitung (41) gemessen wird, eine Brennstofftemperatur (T1) in dem Druckgasspeicher (36) oder in der Hochdruckleitung (41) gemessen wird, und aus dem Hochdruck (P1), der Brennstofftemperatur (T1) und weiteren Größen die erste Menge (M1) an Brennstoff und/oder die zweite Menge (M2) an Brennstoff berechnet wird.
  4. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei in Schritt b) während des Zeitintervalls ein Mitteldruck (P2) in einer zwischen dem Druckminderer (70) und dem Injektor (72) angeordneten Mitteldruckleitung (42) gemessen wird, ein Einblasdruck (P3) in einer zwischen dem Injektor (72) und der Brennstoffzelleneinheit (3) angeordneten Einblasleitung (43) gemessen wird, und aus dem Mitteldruck (P2) und dem Einblasdruck (P3) mittels einer entsprechenden Kennlinie des Injektors (72) die Durchflussmenge (Mdurch) berechnet wird.
  5. Verfahren nach Anspruch 4, wobei der Injektor (72) mittels Pulsweitenmodulation gesteuert wird, die Pulsweitenmodulation einen Tastgrad (Ta) aufweist, und die Kennlinie des Injektors (72) eine Abhängigkeit der Durchflussmenge (Mdurch) von dem Mitteldruck (P2), dem Einblasdruck (P3) und dem Tastgrad (Ta) beschreibt.
  6. Brennstoffzellensystem (1), umfassend eine Brennstoffzelleneinheit (3) mit einer Anode (21) und einer Kathode (22), einen Druckgasspeicher (36), einen Druckminderer (70) und einen Injektor (72), dadurch gekennzeichnet, dass Mittel zur Bestimmung einer in einem vorgegebenen Zeitintervall aus dem Druckgasspeicher (36) abfließenden Abflussmenge (Mab) an Brennstoff und Mittel zur Bestimmung einer in dem vorgegebenen Zeitintervall durch den Injektor (72) fließenden Durchflussmenge (Mdurch) an Brennstoff vorgesehen sind.
  7. Brennstoffzellensystem (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur Bestimmung der in dem vorgegebenen Zeitintervall aus dem Druckgasspeicher (36) abfließenden Abflussmenge (Mab) an Brennstoff einen ersten Drucksensor (45), welcher in dem Druckgasspeicher (36) oder in einer zwischen dem Druckgasspeicher (36) und dem Druckminderer (70) angeordneten Hochdruckleitung (41) angeordnet ist, und einen Temperatursensor (44), welcher in dem Druckgasspeicher (36) oder in der zwischen dem Druckgasspeicher (36) und dem Druckminderer (70) angeordneten Hochdruckleitung (41) angeordnet ist, umfassen.
  8. Brennstoffzellensystem (1) nach einem der Ansprüche 6 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur Bestimmung der in dem vorgegebenen Zeitintervall durch den Injektor (72) fließenden Durchflussmenge (Mdurch) an Brennstoff einen zweiten Drucksensor (46), welcher in einer zwischen dem Druckminderer (70) und dem Injektor (72) angeordneten Mitteldruckleitung (42) angeordnet ist, und einen dritten Drucksensor (47), welcher in einer zwischen dem Injektor (72) und der Brennstoffzelleneinheit (3) angeordneten Einblasleitung (43) angeordnet ist, umfassen.
  9. Brennstoffzellensystem (1) nach Anspruchs 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Injektor (72) mittels Pulsweitenmodulation ansteuerbar ist, welche einen Tastgrad (Ta) aufweist, wobei eine Abhängigkeit der Durchflussmenge (Mdurch) von einem von dem zweiten Drucksensor (46) gemessenen Mitteldruck (P2), einem von dem dritten Drucksensor (47) gemessenen Einblasdruck (P3) und dem Tastgrad (Ta) durch eine Kennlinie des Injektors (72) beschreibbar ist.
  10. Verwendung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5 und/oder eines Brennstoffzellensystems (1) nach einem der Ansprüche 6 bis 9 in einem Kraftfahrzeug.
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