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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Fehlerdiagnose in einem einen Brennstoffzellenstapel aufweisenden Brennstoffzellensystem, eine Diagnoseeinheit zu Fehlerdiagnose und ein Fahrzeug mit einem einen Brennstoffzellenstapel aufweisenden Brennstoffzellensystem.
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Bei Brennstoffzellensystemen kommt es durch sogenannte Luft-Luft-Starts zu Schäden an dem Brennstoffzellenstapel. Ein Luft-Luft-Start liegt dabei vor, wenn beim Start sowohl im Anodenbereich als auch im Kathodenbereich des Brennstoffzellenstapels Luft bzw. Sauerstoff vorhanden ist. Bei einer Zuführung von Wasserstoff im Zuge des Starts kommt es zu einer Wasserstoff/Luft-Front, welche über die elektrochemisch aktive Fläche der Anoden streicht. Somit liegen unmittelbar vor der Front und unmittelbar nach der Front unterschiedlich hohe Potenziale vor, da die Brennstoffzelle in einem Bereich bereits die Elektrolyse betreibt und in einem anderen Bereich (noch) nicht. Dies führt zu einer nicht unerheblichen Schädigung oder Degradation der Brennstoffzelle, insbesondere zu einer Korrosion des Katalysators bzw. seines Trägermaterials. Um eine Schädigung des Brennstoffzellensystems zu reduzieren und um eine lange Lebensdauer des Brennstoffzellensystems zu ermöglichen, ist es daher notwendig, Luft-Luft-Starts zu verhindern bzw. ihre Anzahl zu reduzieren.
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Die Zeit, in der der Wasserstoff im Anodenbereich gehalten werden kann, also die Zeit nach dem Abstellen der Brennstoffzelle bis sowohl im Anodenbereich als auch im Kathodenbereich Luft vorliegt, wird im allgemeinen auch als Wasserstoffschutzzeit („Hydrogen Protection Time“) bezeichnet. Innerhalb der Wasserstoffschutzzeit kommt es zu keinen Luft-Luft-Starts. Die Dauer der Wasserstoffschutzzeit ist für jedes Brennstoffzellensystem individuell, kann allerdings auch verkürzt werden: Beispielsweise, indem Luft und somit Sauerstoff aus der Umgebungsluft in den Kathodenbereich der Brennstoffzelle gelangt. Dies kann bei hohen Windgeschwindigkeiten im Bereich des Ansaugstutzens erfolgen. Der Sauerstoff reagiert dann mit dem in den Anodenräumen befindlichen Wasserstoff und braucht diesen zusätzlich auf. Zudem kann ein Herausdiffundieren von Wasserstoff aus den Anodenräumen des Brennstoffzellenstapels nicht verhindert werden. Darüber hinaus kann die Wasserstoffschutzzeit auch aufgrund von beschädigten und damit undichten Dichtungen am Brennstoffzellenstapel oder generell im Brennstoffzellensystem verkürzt werden. Eine solche Verkürzung der Wasserstoffschutzzeit bleibt meistens undetektiert und führt vermehrt zu vermeidbaren Luft-Luft-Starts, die das Brennstoffzellensystem unnötig beschädigen.
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Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren, eine Diagnoseeinheit und ein Fahrzeug dahingehend weiterzubilden, die oben genannten Nachteile zu vermeiden.
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Die das Verfahren betreffende Aufgabe wird durch das Verfahren nach Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben. Insbesondere umfasst das Verfahren zur Fehlerdiagnose in einem einen Brennstoffzellenstapel aufweisenden Brennstoffzellensystem die folgenden Schritte:
- a) Erfassen einer Abschaltzeit mittels einer Zeiterfassungseinheit beim Trennen des Brennstoffzellenstapels von einer Last,
- b) Erfassen einer Startzeit mittels der Zeiterfassungseinheit beim Verbinden des Brennstoffzellenstapels mit der Last,
- c) Ermitteln eines Standzeitraums mittels einer Komparatoreinheit durch Bilden einer Differenz zwischen der Abschaltzeit und der Startzeit,
- d) Vergleichen des Standzeitraums mit einer vorgegebenen oder vorgebbaren Wasserstoffschutzzeit des Brennstoffzellensystems mittels der Komparatoreinheit und
- e) Ausgabe eines Warnsignals eines Signalgebers und/oder Speicherung eines Warnwerts in einem Fehlerspeicher bei Detektion eines Luft-Luft-Starts, sofern der Standzeitraum kürzer ist als die Wasserstoffschutzzeit.
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Durch das Ermitteln eines Standzeitraums des Brennstoffzellensystems und mittels des Vergleichs des Standzeitraums mit der Wasserstoffschutzzeit kann eine Verkürzung der Wasserstoffschutzzeit detektiert werden. Eine Verkürzung der Wasserstoffschutzzeit kann unter anderem auf defekte Dichtungen oder andere defekte Bauteile zurückgeführt werden. Die Ausgabe des Warnsignals gibt den Hinweis, dass ein Werkstattbesuch und damit eine genauere Untersuchung und Beseitigung der die Wasserstoffschutzzeit verkürzenden Ursache notwendig ist. Der gespeicherte Warnwert kann später vorzugsweise in der Werkstatt ausgelesen werden, um Informationen über die Anzahl der Luft-Luft-Starts und um die Größenordnung der Verkürzung zu erhalten. Die Anzahl der Luft-Luft-Starts kann somit verringert werden.
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Im Rahmen der Erfindung ist es vorgesehen, dass die erfasste Abschaltzeit in einem Speicher hinterlegt wird oder die erfasste Abschaltzeit eine bereits im Speicher hinterlegte ältere Abschaltzeit überschreibt. In einer alternativen Ausführungsform können die älteren Abschaltzeiten auch im Speicher gespeichert und damit abrufbar bleiben, um eine Statistik über die Entwicklung der Wasserstoffschutzzeit zu erhalten. Dies ermöglicht anhand der Verkürzung des Wasserstoffschutzzeit auf den Grad der Schädigung des Brennstoffzellensystems rückschließen zu können. Darüber hinaus kann eine systematische Verkürzung der Wasserstoffschutzzeit von einer einmaligen Verkürzung der Wasserstoffschutzzeit, die auch auf andere Ursachen zurückführbar sein kann, unterschieden werden.
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Insbesondere ist es vorgesehen, dass die Wasserstoffschutzzeit des Brennstoffzellensystems durch Messen einer Diffusionszeit eines Kathodengases von einer Kathodenseite des Brennstoffzellensystems zu einer Anodenseite erfasst wird. Dies erfolgt für jedes Brennstoffzellensystem individuell zu Beginn, d.h. nach der Fertigung des Brennstoffzellensystems. Die dadurch ermittelte Wasserstoffschutzzeit kann auch als eine Vergleichstabelle oder als ein Kennfeld gebildet und im Speicher hinterlegt sein. Die Wasserstoffschutzzeit kann in verschiedenen typischen Situationen gemessen und gespeichert werden. Das Kennfeld kann auch mehrdimensional gestaltet sein, so dass die Wasserstoffschutzzeit unter Berücksichtigung von Fahrtgeschwindigkeit, Umgebungstemperatur oder dergleichen ermittelt und im Speicher hinterlegt wird.
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Um das Vorliegen eines Luft-Luft-Starts zu detektieren, umfasst das erfindungsgemäße Verfahren folgende Schritte:
- - Erfassen einer Ist-Spannung einer der Brennstoffzellen des Brennstoffzellensystems beim Verbinden der Brennstoffzelle mit der Last und
- - Vergleich der Ist-Spannung mit einer im Speicher vorgegebenen oder vorgebbaren Soll-Spannung der Brennstoffzelle.
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Die Brennstoffzelle kann dabei Teil des Brennstoffzellenstapels sein oder als eine Diagnosebrennstoffzelle parallel oder seriell mit dem Brennstoffzellenstapel verbunden sein. Insbesondere ist es in diesem Zusammenhang vorgesehen, dass die Soll-Spannung als ein Spannungsgrenzwert gebildet ist. Ein Luft-Luft-Start liegt somit bei Überschreiten der Soll-Spannung bzw. bei Überschreiten des Spannungsgrenzwerts vor.
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Alternativ oder zusätzlich ist es vorgesehen, dass ein Luft-Luft-Start durch die folgenden Schritte detektiert wird:
- - Erfassen einer Ist-Spannung des Brennstoffzellenstapels beim Verbinden des Brennstoffzellenstapels mit der Last und
- - Vergleich der Ist-Spannung mit einem im Speicher vorgegebenen oder vorgebbaren Soll-Spannung des Brennstoffzellenstapels.
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Alternativ oder zusätzlich ist es möglich, dass die Startzeit beim Aktivieren einer Stromversorgung des Brennstoffzellensystems erfasst wird. Dies ermöglicht einen Vergleich des Standzeitraums mit der Wasserstoffschutzzeit bevor die Brennstoffzelle des Brennstoffzellenstapels mit der Last verbunden und gestartet wird. Zwischen der Aktivierung - also die Betätigung der Zündung - des Brennstoffzellensystems und dem Verbinden des Brennstoffzellenstapels mit der Last liegt eine Zeitverzögerung von etwa 1 bis 3 Minuten, die auf verfahrenstechnische Erfordernisse, wie beispielsweise die Erwärmung des Brennstoffzellensystems oder eine Feuchteregulierung zurückzuführen ist. Ist der ermittelte Standzeitraum größer als die Wasserstoffschutzzeit, so kann ein Warnsignal ausgegeben werden, dass beim Verbinden des Brennstoffzellenstapels mit der Last ein Luft-Luft-Start erfolgen wird. Diese Vorwarnung kann gegebenenfalls dazu führen, dass Maßnahmen ergriffen werden, um diesen Luft-Luft-Start zu verhindern (z.B. eine Evakuierung der Kathoden- und Anodenräume). Darüber hinaus kann eine Statistik der Anzahl der Luft-Luft-Starts in dem Fehlerspeicher hinterlegt werden, so dass bei einem Werkstattbesuch die Schädigung des Brennstoffzellensystem abgeschätzt werden kann.
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Die die Diagnoseeinheit betreffende Aufgabe wird durch den Merkmalsbestand des Anspruchs 7 gelöst, also durch eine Diagnoseeinheit zur Fehlerdiagnose eines einen Brennstoffzellenstapel aufweisenden Brennstoffzellensystems, mit einer Zeiterfassungseinheit zum Erfassen einer Abschaltzeit beim Trennen des Brennstoffzellenstapels von einer Last und zum Erfassen einer Startzeit beim Verbinden des Brennstoffzellenstapels mit der Last, mit einem Speicher zur Hinterlegung der Abschaltzeit, der Startzeit und einer Wasserstoffschutzzeit, mit einer Komparatoreinheit, die derart ausgestaltet ist, einen Standzeitraum aus der Differenz von der Abschaltzeit und der Startzeit zu bilden und mit der hinterlegten Wasserstoffschutzzeit des Brennstoffzellensystems zu vergleichen und mit einer Luft-Luft-Erfassungseinheit zum Erfassen des Vorliegens eines Luft-Luft-Starts.
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Die Diagnoseeinheit ermöglicht somit, eine Verkürzung der Wasserstoffschutzzeit zu erfassen, um eine Untersuchung auf Bauteildefekte, die ursächlich für die Verkürzung der Wasserstoffschutzzeit sind, zu initiieren. Der Speicher weist vorzugsweise einen ersten Speicherbereich auf zum Speichern der Abschaltzeit und einem zweiten Speicherbereich zum Speichern der Startzeit sowie einen dritten Speicherbereich zur Speichern der Wasserstoffschutzzeit oder eines Wasserstoffschutzkennfelds. Die Diagnoseeinheit kann dabei in einen Controller des Brennstoffzellensystems integriert werden oder außerhalb des Brennstoffzellensystems angeordnet sein und mit diesem drahtlos oder drahtgebunden in Kontakt stehen.
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Zur Erfassung von Luft-Luft-Starts ist es vorgesehen, dass die Luft-Luft-Erfassungseinheit als ein Spannungsmesser für eine Brennstoffzellenspannung gebildet ist. Der Spannungsmesser dient damit der Erfassung einer Ist Spannung einer einzelnen Brennstoffzelle oder der Erfassung einer Ist-Spannung des ganzen Brennstoffzellenstapels.
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Die das Fahrzeug betreffende Aufgabe wird mit einem Fahrzeug mit dem Merkmalsbestand des Anspruchs 9 gelöst, also mit einem Fahrzeug mit einem einen Brennstoffzellenstapel aufweisenden Brennstoffzellensystem und mit einer Diagnoseeinheit. Dadurch kann die Lebensdauer des Brennstoffzellensystems und damit des Antriebs des Fahrzeugs verlängert werden, indem ein aufgrund von Bauteildefekten hervorgerufenes Auftreten von Luft-Luft-Starts in brennstoffzellenbetriebenen Fahrzeugen detektiert und in einem Werkstattbesuch gegebenenfalls beseitigt werden kann.
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Um einen Hinweis für die Notwendigkeit eines Werkstattbesuchs zu geben, ist ein optischer oder akustischer Signalgeber vorgesehen zur Ausgabe eines Warnsignals bei Vorliegen eines Luft-Luft-Starts, wenn ein durch die Diagnoseeinheit erfasster Standzeitraum kleiner als eine Wasserstoffschutzzeit des Brennstoffzellensystems ist.
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Alternativ oder zusätzlich ist es vorgesehen, dass das Fahrzeug einen Fehlerspeicher aufweist, in dem das Vorliegen eines Luft-Luft-Starts hinterlegbar und abrufbar ist. Dadurch kann bei einem Werkstattbesuch auf den aktuellen Zustand oder auch eine mögliche Schädigung des Brennstoffzellensystems rückgeschlossen werden.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung sowie anhand der Zeichnungen. Dabei zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Diagnoseeinheit und
- 2 eine schematische Darstellung des Ablaufs des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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1 zeigt eine Diagnoseeinheit 1 zur Fehlerdiagnose eines einen Brennstoffzellenstapel 2 aufweisenden Brennstoffzellensystems 3 mit einer Zeiterfassungseinheit 4 zum Erfassen einer Abschaltzeit beim Trennen des Brennstoffzellenstapels 2 von einer Last und zum Erfassen einer Startzeit beim Verbinden des Brennstoffzellenstapels 2 mit der Last. Darüber hinaus weist die Diagnoseeinheit 1 einen Speicher 5 zur Hinterlegung der Abschaltzeit in einem ersten Speicherbereich, zur Hinterlegung der Startzeit in einem zweiten Speicherbereich und zur Hinterlegung einer Wasserstoffschutzzeit des Brennstoffzellensystems 3 in einem dritten Speicherbereich auf. Außerdem umfasst die Diagnoseeinheit 1 eine Komparatoreinheit 6, die derart ausgestaltet ist, einen Standzeitraum aus der Differenz von der Abschaltzeit und der Startzeit zu bilden und mit der hinterlegten Wasserstoffschutzzeit des Brennstoffzellensystems 3 zu vergleichen. Schließlich ist eine Luft-Luft-Erfassungseinheit 7 zum Erfassen des Vorliegens eines Luft-Luft-Starts vorgesehen. Die Luft-Luft-Erfassungseinheit 7 ist dabei als ein Spannungsmesser für eine Brennstoffzellenspannung gebildet und ist vorzugsweise drahtlos oder drahtgebunden mit einer eine Brennstoffzelle umfassenden Diagnosebrennstoffzelle 8 verbunden. Die Diagnosebrennstoffzelle 8 ist mit dem Brennstoffzellenstapel 2 verbunden. Dies kann parallel oder seriell über eine nicht gezeigte Anodengaszufuhrleitung und eine nicht gezeigte Kathodengaszufuhrleitung erfolgen.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zur Fehlerdiagnose in einem einen Brennstoffzellenstapel 2 aufweisenden Brennstoffzellensystem 3 ist in 2 als ein Ablaufdiagramm dargestellt.
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Zunächst wird die Abschaltzeit beim Trennen des Brennstoffzellenstapels 2 von der Last, durch die Zeiterfassungseinheit 4 erfasst (Schritt S1). Es wird geprüft, ob in einem ersten Speicherbereich des Speichers 5 eine Abschaltzeit hinterlegt ist (Abfrage Q2). Wenn bereits eine (alte) Abschaltzeit hinterlegt ist, so wird diese durch die erfasste Abschaltzeit ersetzt (Schritt S3). Die erfasste und/oder die dann ersetzte Abschaltzeit wird in dem ersten Speicherbereich des Speichers 5 hinterlegt (Schritt S4). Wird der Brennstoffzellenstapel 2 nach dem Aktivieren („Zünden“) des Brennstoffzellensystems 3 wieder mit der Last verbunden, so erfasst die Zeiterfassungseinheit 4 eine Startzeit (Schritt S5). Sowohl die Abschaltzeit als auch die Startzeit umfassen vorzugsweise eine Datumsangabe (Tag-, Monat- und Jahresangabe) sowie eine Zeitangabe, vorzugsweise eine Stunden-, Minuten- und Sekundenangabe. Die Komparatoreinheit 6 ermittelt nun einen Standzeitraum durch Bilden einer Differenz zwischen der Abschaltzeit und der Startzeit (Schritt S6). Es wird geprüft, ob der durch die Differenz gebildete Standzeitraum größer oder kleiner ist als eine vorgegebene oder vorgebbare Wasserstoffschutzzeit (Abfrage Q7).
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Die Wasserstoffschutzzeit (Hydrogen Protection time) wird nach der Fertigung des Brennstoffzellensystems 3 bevorzugt als ein Kennfeld oder als ein mehrdimensionales Kennfeld ermittelt. Dabei wird die Diffusionszeit eines Kathodengases von einer Kathodenseite des Brennstoffzellensystems 3 zu einer Anodenseite erfasst. Um ein mehrdimensionales Kennfeld zu erfassen, erfolgt die Messung beispielsweise bei verschiedenen Temperaturen.
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Es ist bekannt, dass ein Luft-Luft-Start erfolgen wird, oder dass ein solcher detektiert werden wird (Schritt S8), wenn der Standzeitraum größer ist als die Wasserstoffschutzzeit. Ein solcher Luft-Luft-Start ist dabei aber nicht auf ein defektes Bauteil zurückzuführen. Die Ausgabe eines Warnsignals wird unterdrückt (Schritt S9). Gegebenenfalls wird aber das Vorliegen eines Luft-Luft-Starts im Speicher 5 oder in einem Fehlerspeicher zusätzlich hinterlegt.
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Ist der Standzeitraum kleiner als die Wasserstoffschutzzeit, wird überprüft, ob ein Luft-Luft-Start detektiert wird (Abfrage Q10). Wird ein Luft-Luft-Start detektiert, so wird ein Warnsignal mittels eines nicht gezeigten akustischen oder optischen Signalgebers ausgegeben und ein Warnwert in einem nicht gezeigten Fehlerspeicher gespeichert (Schritt S11). Das Warnsignal weist auf die Notwendigkeit eines Werkstattbesuchs hin, um die Bauteile und insbesondere die Dichtungen des Brennstoffzellensystems 3 als mögliche Fehlerquellen zu untersuchen.
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Ist der Standzeitraum kleiner als die Wasserstoffschutzzeit und wird auch erwartungsgemäß kein Luft-Luft-Start detektiert, so erfolgt keine Ausgabe eines Warnsignals. Das Verfahren kann dann beim nächsten Abschalten des Brennstoffzellensystems 3 von vorne beginnen.
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Die Detektion des Luft-Luft-Starts erfolgt dabei durch Erfassen einer Ist-Spannung an einer Brennstoffzelle des Brennstoffzellensystems 3 beim Verbinden der Brennstoffzelle mit der Last durch die Luft-Luft-Erfassungseinheit 7. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel erfolgt die Detektion eines Luft-Luft-Starts durch Erfassen der Ist-Spannung an der Diagnosebrennstoffzelle 8 beim Verbinden dieser mit der Last. Im Speicher 5 der Diagnoseeinheit 1 ist eine vorher ermittelte Soll-Spannung als ein Spannungsgrenzwert hinterlegt. Bei Überschreiten der Soll-Spannung bzw. des Spannungsgrenzwerts liegt ein Luft-Luft-Start vor.
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In einer alternativen nicht gezeigten Ausführungsform wird ein Luft-Luft-Start dadurch detektiert, dass eine Ist-Spannung des Brennstoffzellenstapels 2 durch die Luft-Luft-Erfassungseinheit 7 beim Verbinden des Brennstoffzellenstapelstapels 2 mit der Last erfasst wird. Die Ist-Spannung wird mit einer im Speicher 5 vorgegebenen oder vorgebbaren Soll-Spannung bzw. mit einer vorgegebenen oder vorgebbaren Grenzspannung des Brennstoffzellenstapels 2 verglichen. Bei Überschreiten der Soll-Spannung oder des Spannungsgrenzwerts liegt ein Luft-Luft-Start vor.
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In einer alternativen nicht gezeigten Ausführungsform wird zusätzlich eine Kontrollstartzeit beim Aktivieren einer Stromversorgung des Brennstoffzellensystems 3 erfasst. Dies bedeutet, dass die Kontrollstartzeit beim „Zünden“ des Brennstoffzellensystems 3, also bevor der Brennstoffzellenstapel 2 mit der Last verbunden wird, erfasst wird. Der Komparator 5 ermittelt einen Kontrollstandzeitraum durch Bilden einer Differenz zwischen der Abschaltzeit und der Kontrollstartzeit. Dieser wird verglichen mit einer vorgegebenen oder vorgebbaren Wasserstoffschutzzeit des Brennstoffzellensystems 3. Ist die Wasserstoffschutzzeit abgelaufen, d.h. ist die Wasserstoffschutzzeit kleiner als der Kontrollstandzeitraum, so wird ein Warnsignal ausgegeben, demnach beim Verbinden des Brennstoffzellenstapels 2 mit der Last ein Luft-Luft-Start erfolgen wird. Dies ermöglicht, Maßnahmen zu ergreifen, um einen Luft-Luft-Start und damit eine Schädigung des Brennstoffzellensystems 3 zu verhindern. Ist der Kontrollstandzeitraum kleiner als die Wasserstoffschutzzeit, so wird entweder ein Luft-Luft-Start-detektiert und ein Warnsignal ausgegeben bzw. ein Warnwert gespeichert oder es wird beim Verbinden des Brennstoffzellenstapels 2 mit der Last, also beim eigentlichen Start des Brennstoffzellenstapels 2 die Startzeit erfasst und der Standzeitraum ermittelt durch Bilden einer Differenz zwischen der Abschaltzeit und der Startzeit. Diese Startzeit wird mit der vorgegebenen oder vorgebbaren Wasserstoffschutzzeit des Brennstoffzellensystems 3 verglichen. Bei Detektion eines Luft-Luft-Starts, sofern der Standzeitraum kürzer ist als die Wasserstoffschutzzeit, wird ein Warnsignal ausgegeben und/oder ein Warnwert gespeichert.
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Die oben beschriebene Diagnoseeinheit 1, und das Verfahren können in ein nicht gezeigtes Fahrzeug mit einem einen Brennstoffzellenstapel 2 aufweisenden Brennstoffzellensystem 3 integriert werden. Dieses nicht gezeigte Fahrzeug weist dabei einen nicht gezeigten optischen oder akustischen Signalgeber auf zur Ausgabe eines Warnsignals bei Vorliegen eines Luft-Luft-Starts, wenn ein durch die Diagnoseeinheit 1 erfasster Standzeitraum kleiner als eine Wasserstoffschutzzeit des Brennstoffzellensystems 3 ist.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Diagnoseeinheit
- 2
- Brennstoffzellenstapel
- 3
- Brennstoffzellensystem
- 4
- Zeiterfassungseinheit
- 5
- Speicher
- 6
- Komparatoreinheit
- 7
- Luft-Luft-Erfassungseinheit
- 8
- Diagnosebrennstoffzelle
