DE102022116897A1

DE102022116897A1 - System und Verfahren zum Detektieren der inneren Leckage eines Brennstoffzellenstapels

Info

Publication number: DE102022116897A1
Application number: DE102022116897.2A
Authority: DE
Inventors: András Musitz; András Klaj; Dávid Szanyi-Nagy
Original assignee: Audi Hungaria Kft
Current assignee: Audi Hungaria Kft
Priority date: 2021-07-14
Filing date: 2022-07-06
Publication date: 2023-01-19
Also published as: HUP2100272A1

Abstract

Das erfindungsgemäße Verfahren dient zum Detektieren der in einem Brennstoffzellenstapel entstehenden inneren Leckage. Während des Verfahrens wird ein fertig montierter Brennstoffzellenstapel (300) bereitgestellt, dessen jede einzelne Zelle (302) aus drei aufeinander angeordneten Kammern (304, 306) besteht; die erste Kammer (304) jeder Zelle (302) wird von einem Füllgas mit einem ersten Druck durchströmt, und die mit der ersten Kammer (304) benachbarte zweite Kammer (306) jeder Zelle (302) wird von einem Füllgas mit einem zweiten Druck, der höher als der erste Druck ist, durchströmt; aus einer auf die Ebene der Zellen (302) senkrecht bewegten Düse (280) wird kontinuierlich ein Prüfgas mit einem höheren Druck als das Füllgas zugegeben, währenddessen die Düse (280) mit einer gleichmäßigen Geschwindigkeit entlang der Zellen (302) bewegt wird; das aus den ersten Kammern (304) austretende Gas wird einem Massenspektrometer (140) zugeführt; mit dem Massenspektrometer (140) wird in dem aus den ersten Kammern (304) austretenden Gas die Konzentration des Prüfgases gemessen, und eine innere Leckage wird zwischen denjenigen benachbarten Kammern (304, 306) festgestellt, bei denen die Konzentration des Prüfgases in dem aus der ersten Kammer (304) austretenden Gas während der vollen Messung am höchsten ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein System und ein Verfahren zum Detektieren der inneren Leckage eines Brennstoffzellenstapels, mit deren Hilfe ohne eine Zerlegung des Brennstoffzellenstapels diejenige Zelle identifiziert werden kann, an welcher sich die innere Leckage befindet.
Die fertig montierten Brennstoffzellenstapel können aus mehreren hundert Zellen bestehen. Die Anzahl der zu verwendenden Zellen ist von der geforderten Ausgangsspannung abhängig. In den einzelnen Zellen sind drei voneinander getrennte Kammern für den Wasserstoff, den Sauerstoff und das Kühlmittel ausgebildet. Im Fertigungsprozess ist in jeder Zelle eine Dichtprüfung durchzuführen. Wenn eine Zelle gegenüber der Umgebung nicht ausreichend abgedichtet ist, wenn also aus einer beliebigen Kammer der Zelle Gas oder Kühlmittel in die Umgebung aussickert, muss die Leckstelle lokalisiert und die Dichtung repariert werden.
Die Bestimmung der Leckstelle wird mit der nachstehenden konventionellen Detektionsmethode durchgeführt. Der zu untersuchende Raum wird mit Testgas befüllt, und die Leckage wird durch einen außerhalb des Zellenstapels angeordneten und um den Zellenstapel bewegten Sensor detektiert („erschnüffelt“). Die Leckstelle befindet sich dort, wo der Sensor die höchste Gaskonzentration anzeigt. Im Falle einer inneren Leckage zwischen zwei Kammern kann diese Methode jedoch aufgrund der fehlenden Zugänglichkeit zu den Kammern der inneren Zellen des Zellenstapels nicht angewendet werden.
Eine Vorrichtung zum Testen der Gasdichtigkeit des Brennstoffzellenstapels ist im Dokument US 2018/0067013 A1 erläutert. Diese Vorrichtung enthält ein Einlassstück für ein erstes Reaktionsgas und ein Auslassstück für das erste Reaktionsgas, durch welche das erste Reaktionsgas ein- oder ausströmt, sowie ein Einlassstück für ein zweites Reaktionsgas und ein Auslassstück für das zweite Reaktionsgas, durch welche das zweite Reaktionsgas ein- oder ausströmt. Die Vorrichtung enthält eine Prüfgas-Quelle, die Prüfgas zum Einlassstück des ersten Reaktionsgases führt, eine Einlassöffnung, die in Richtung des Aufeinanderstapelns der Brennstoffzellen im Auslassstück des zweiten Reaktionsgases bewegt werden kann, einen Detektor zum Messen der Konzentration des Prüfgases sowie eine Steuereinheit, die aufgrund der Lage der Einlassöffnung die undichte Zelle durch die Analyse der Konzentration des Prüfgases bestimmt. Während der Messung wird das Reaktionsgas in den vollen Brennstoffzellenstapel eingeführt, und eine eventuelle innere Leckage kann durch entsprechendes Öffnen und Schließen der Einlass- und Auslassöffnungen detektiert werden. Die Leckstelle wird im Auslassstück des zweiten Reaktionsgases mit Hilfe der in Richtung der Stapelung bewegbaren Messsonde bestimmt.
Ein ähnliches Messprinzip wird durch die im Dokument DE 10 2008 061 807 A1 beschriebene Vorrichtung verwirklicht.
Der Nachteil der oben erwähnten Lösungen besteht darin, dass man das Prüfgas, das üblicherweise teures Helium ist, während der Messung durch den vollen Brennstoffzellenstapel kontinuierlich hindurchströmen lässt, wodurch eine bedeutende Menge von Prüfgas zur Anwendung kommt.
Das Ziel der Erfindung ist eine Verbesserung der bekannten Lösungen unter Verwendung einer geringeren Menge an Prüfgas als bisher.
Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass wenn eine erste Kammer jeder Zelle von einem Füllgas mit einem ersten Druck durchströmt wird, und eine der ersten Kammer benachbarte zweite Kammer jeder Zelle von einem Füllgas mit einem zweiten Druck, der höher als der erste Druck ist, durchströmt wird, und aus einer zur Ebene der Zellen senkrecht bewegten Düse kontinuierlich ein Prüfgas zu dem Füllgas mit höherem Druck gegeben wird, während die Düse mit einer gleichmäßigen Geschwindigkeit entlang den Zellen bewegt wird, dann kann bei Zuführung des aus den ersten Kammern austretenden Gases in ein Massenspektrometer, in dem aus den ersten Kammern austretenden Gas die Konzentration des Prüfgases mit Hilfe des Massenspektrometers gemessen und die genaue Stelle der inneren Leckage festgestellt werden. Die innere Leckage befindet sich nämlich zwischen denjenigen benachbarten Kammern, bei denen im aus der ersten Kammer hinausgeführten Gas die Konzentration des Prüfgases während der vollen Messung am höchsten ist.
Die gestellten Ziele können durch die Verwirklichung des in den beigefügten Ansprüchen definierten Verfahrens und Systems erreicht werden.
Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung ausführlicher erläutert. In der Zeichnung zeigen

1 das funktionelle Blockschema des erfindungsgemäßen Systems;
2 eine mögliche Ausführungsform eines den Bestandteil des erfindungsgemäßen Systems bildenden Dichtadapters in perspektivischer Ansicht, in fertig montiertem Zustand des Dichtadapters;
3 eine Explosionsdarstellung des in 2 gezeigten Dichtadapters;
4 eine Schnittdarstellung des in 2 gezeigten Dichtadapters;
5 das Prinzip des erfindungsgemäßen Messverfahrens, schematisch;
6 ein Beispiel für ein mit dem erfindungsgemäßen System erhaltenes Messergebnis, wobei im Diagramm die horizontale Achse den Abstand der Messebene vom Niveau der ersten Zelle angibt, während die senkrechte Achse die Leckagegeschwindigkeit angibt; und
7a-b einen den Bestandteil des erfindungsgemäßen Systems bildenden Strömungsregler in perspektivischer Ansicht sowie in Seitenansicht.

Wie aus 1 ersichtlich ist, enthält das erfindungsgemäße System 100 einen Dichtadapter 120 für die Aufnahme eines Brennstoffzellenstapels 300, eine an den Dichtadapter 120 angeschlossene erste Gasquelle 131 und eine zweite Gasquelle 132, ein an den Dichtadapter 120 angeschlossenes Massenspektrometer 140 sowie einen an das Massenspektrometer 140 angeschlossenen Rechner 150.
Eine zweckmäßige Ausführungsform des im System 100 verwendeten Dichtadapters 120 ist in den 2 bis 4 in verschiedenen Ansichten dargestellt. Der Dichtadapter 120 weist eine obere Dichtplatte 200, eine untere Dichtplatte 210 und eine Abdruckplatte 220 auf, die durch ein Verriegelungselement 230 zusammengefasst sind. Zwischen der Abdruckplatte 220 und der oberen Dichtplatte 200 sind Druckfedern 240 angeordnet. Auf der oberen Seite der unteren Dichtplatte 210 sind Positionierstifte 260 zur Aufnahme des Brennstoffzellenstapels in richtiger Position angeordnet.
Auf der oberen Seite der oberen Dichtplatte 200 sind drei Gaseinlassstutzen 270, 271, 272 und drei Gasauslassstutzen 274, 275, 276 für die Reaktionsgase der Brennstoffzellen (Sauerstoff, Wasserstoff) und für das Kühlmittel ausgebildet. Es ist zu bemerken, dass während der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens immer nur je zwei Gaseinlassstutzen und diesen entsprechende Gasauslassstutzen benutzt werden, so dass der dritte Gaseinlassstutzen und der diesem entsprechende Gasauslassstutzen in dieser Hinsicht keine Funktion haben. Die beiden aktiven Gaseinlassstutzen und die beiden diesen entsprechenden Gasauslassstutzen werden zur Einführung bzw. Ausführung eines Füllgases an einem ersten Druck und an einem zweiten Druck, der höher als der erste Druck ist, gebraucht. Der zum Füllgas niedrigeren Drucks gehörende Gasauslassstutzen 274 ist über eine druckfeste Gasleitung an das Massenspektrometer 140 angeschlossen.
Auf der oberen Seite der oberen Dichtplatte 200 ist eine solche Düse 280 ausgebildet, die mit Hilfe einer Antriebsvorrichtung 290 entlang der Stapelungsrichtung 160 des Brennstoffzellenstapels (bei der in der Zeichnung dargestellten Anordnung nach oben bzw. nach unten) manuell oder motorisch bewegbar ist. Die versetzte Position der Düse 280 wird zweckmäßigerweise von einem (in 1 dargestellten) Positionssensor 281 gemessen, der die Messsignale an den Rechner 150 weiterleitet. Die Bestimmung der Position der Düse 280 kann auch in programmierter Weise mit Hilfe des Rechners 150 durchgeführt werden.
Wie in den 2 bis 4 gut ersichtlich ist, ist die Düse 280 im inneren Ende eines als zweiarmiger Hebel funktionierenden Hebelarmes 282 eingespannt. Der Hebelarm 282 ist verschwenkbar an einem Halter 284 befestigt. Der Halter 284 ist fest an der oberen Dichtplatte 200 befestigt. Am oberen Ende der Düse 280 ist für das Prüfgas eine Gaseinlassöffnung 285, an ihrem unteren Ende hingegen eine Gasauslassöffnung 286 ausgebildet. Das untere Ende der Düse 280 kann zweckmäßigerweise in einer Bohrung 290 eines Strömungsreglers 288 in senkrechter Richtung bewegt werden, wobei der Strömungsregler die gleiche Höhe wie der Brennstoffzellenstapel aufweist.
Wie den 7a und 7b entnommen werden kann, ist der Strömungsregler 288 so ausgebildet, dass er außer der Bohrung 290 für die Düse 280 in der vollen Höhe des Zellenstapels eine weitere, senkrecht ausgerichtete Bohrung 292 zur Einleitung des Füllgases höheren Druckes aufweist. Der Strömungsregler 288 enthält am Niveau der Zellen auch zur Ebene der Zellen parallele (also auf die Bohrungen 290, 292 senkrechte) Schlitze 294, durch die das Prüfgas und das Füllgas höheren Druckes der dem aktuellen Niveau des unteren Endes der Düse 280 entsprechenden Zelle bzw. den entsprechenden Kammern der gegebenen Zelle zugeleitet werden. Durch die Anwendung des Strömungsreglers 288 kann die Stelle der fehlerhaften Zelle noch genauer lokalisiert werden, und eine innere Leckage gegebener Größe zeigt eine größere Abweichung vom richtigen (leckfreien) Wert auf.
Der Strömungsregler 288 hat zweckmäßigerweise wenigstens eine (in den 7a und 7b zwei) Befestigungsbohrung(en) 296, die zur Befestigung des Strömungsreglers im Dichtadapter 120 dient (dienen).
Im Weiteren werden die mit dem erfindungsgemäßen System durchgeführten Schritte der Leckageprüfung anhand von 5 erläutert. Im ersten Schritt wird eine erste Kammer 304 jeder Zelle 302 des Brennstoffzellenstapels 300 von einem Füllgas, vorzugsweise Stickstoff, mit einem ersten Druck durchströmt. Der erste Druck kann zum Beispiel der Umgebungsluftdruck, also ein Druck von etwa 1 bar, sein. Das Füllgas mit dem ersten Druck wird aus der Gasquelle 131 über den Gaseinlassstutzen 270 in den Brennstoffzellenstapel 300 hineingeleitet und über den Gasauslassstutzen 274 aus dem Brennstoffzellenstapel 300 hinausgeführt. Das über den Gasauslassstutzen 274 abgeführte Gas niedrigeren Druckes wird in das Massenspektrometer 140 weitergeleitet.
Damit gleichzeitig wird von dem Füllgas mit einem Druck, der höher als der erste Druck ist, zum Beispiel mit einem zum gegebenen Kammertyp definierten maximalen Betriebsdruck, auch eine zweite, der ersten Kammer 304 benachbarte Kammer 306 der einzelnen Zellen durchströmt. Das Füllgas höheren Druckes wird über den Gaseinlassstutzen 272 ebenfalls aus der Gasquelle 131 in den Brennstoffzellenstapel 300 hineingeleitet und über den Gasauslassstutzen 276 aus dem Brennstoffzellenstapel 300 hinausgeführt.
Als ein weiterer Schritt wird über die Gaseinlassöffnung 285 der Düse 280 aus der Gasquelle 132 ein Prüfgas, vorzugsweise Helium, in die Düse 280 hineingeführt. Das Prüfgas wird über die Gasauslassöffnung 286 der Düse 280 und den Strömungsregler 288 kontinuierlich dem Prüfgas höheren Druckes zugegeben, während die Düse 280 entlang der Stapelungsrichtung 160 des Brennstoffzellenstapels 300 mit gleichmäßiger Geschwindigkeit bewegt wird. Mit der Zugabe des Prüfgases wird zum Beispiel bei der untersten Zelle 302 begonnen und sie wird die Düse nach oben bewegend bei der obersten Zelle 302 beendet.
Aus der ersten Kammer 304 der einzelnen Zellen 302 wird das Füllgas niedrigeren Druckes über den Gasauslassstutzen 274 in das Massenspektrometer 140 hineingeführt, wodurch die Konzentration des Heliums kontinuierlich gemessen wird, das im aus den ersten Kammern austretenden Füllgas als Prüfgas verwendet wird. Falls zwischen den beiden benachbarten Kammern 302, 304 keine Leckage besteht, dann bleibt im geprüften Füllgas die gemessene Konzentration des Heliums unter einem vorbestimmten Grenzwert. Falls zwischen den beiden benachbarten Kammern 302, 304 wegen eines Fehlers der Dichtung eine innere Leckage auftritt, dann erhöht sich bei der Annäherung der Düse 280 an die gegebene Zelle die Konzentration des Prüfgases (des Heliums) im Füllgas immer mehr, und die größte Konzentration kann dann gemessen werden, wenn sich die untere Gasauslassöffnung 286 der Düse 280 am nahesten an den durch die Leckage betroffenen beiden Zellen 304, 306 befindet.
6 veranschaulicht auf einem Diagramm die Änderung der im Füllgas gemessenen Konzentration des Prüfgases in Abhängigkeit von der Position der Düse. Die entlang der Stapelungsrichtung gemessene Position der Düse kann zum Beispiel durch den Abstand der Gasauslassöffnung der Düse (d.h. der Messebene) vom Niveau der ersten Zelle (z.B. der untersten Zelle) angegeben werden. Vom Diagramm in 6 kann abgelesen werden, dass während der gegebenen Messung die Leckage mit dem größten Ausmaß von der Ebene der ersten Zelle gemessen in einer Höhe von etwa 21-22 mm detektiert werden kann, wobei die Leckagegeschwindigkeit etwa 1500×10^-6 mbar*l/s beträgt. In Kenntnis der Dicke der Zellen kann aus der Position der Düse berechnet werden, in welcher Schicht sich die Zelle mit der inneren Leckage befindet.
Der Vorteil des obigen Messverfahrens und des dazu gehörenden Messsystems besteht darin, dass im Vergleich zu den früheren Lösungen eine wesentlich kleinere Menge an Prüfgas (typischerweise Helium) zur genauen Bestimmung der inneren Leckstelle benötigt wird, und dass der Leckagewert in der Höhe der undichten Zelle eine größere Abweichung vom richtigen Wert aufzeigt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 20180067013 A1 [0004]
DE 102008061807 A1 [0005]

Claims

Verfahren zum Detektieren einer in einem Brennstoffzellenstapel entstehenden inneren Leckage, bestehend aus den nachstehenden Schritten: - bereitstellen eines fertig montierten Brennstoffzellenstapels (300), dessen jede einzelne Zelle (302) aus drei aufeinander angeordneten Kammern (304, 306) besteht, dadurch gekennzeichnet, dass - eine erste Kammer (304) jeder Zelle (302) von einem Füllgas mit einem ersten Druck durchströmt wird, - eine mit der ersten Kammer (304) benachbarte Kammer (306) jeder Zelle (302) von einem Füllgas mit einem zweiten Druck, der höher als der erste Druck ist, durchströmt wird, - aus einer auf die Ebene der Zellen (302) senkrecht bewegten Düse (280) kontinuierlich ein Prüfgas zu einem Füllgas höheren Druckes gegeben wird, währenddessen die Düse (280) mit einer gleichmäßigen Geschwindigkeit entlang der Zellen (302) bewegt wird, - das aus den ersten Kammern (304) austretende Gas einem Massenspektrometer (140) zugeführt wird, - mit dem Massenspektrometer (140) in dem aus den ersten Kammern (304) austretenden Gas die Konzentration des Prüfgases gemessen wird, und - eine innere Leckage zwischen denjenigen benachbarten Kammern (304, 306) festgestellt wird, bei denen die Konzentration des Prüfgases in dem aus den ersten Kammern (304) austretenden Gas während der vollen Messung am höchsten ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Füllgas Stickstoff ist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Prüfgas Helium ist.
System (100) zum Detektieren einer in einem Brennstoffzellenstapel (300) entstehenden inneren Leckage, welches System - einen zur Aufnahme eines aus mehreren Zellen (302) bestehenden Brennstoffzellenstapels (300) dienenden Dichtadapter (120) enthält, die eine untere und eine obere Dichtplatte (210, 220) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass - die obere Dichtplatte (200) wenigstens einen Gaseinlassstutzen (270) und einen Gasauslassstutzen (274) für ein Füllgas mit einem ersten Druck und einen Gaseinlassstutzen (272) und einen Gasauslassstutzen (276) für ein Füllgas mit einem zweiten Druck, der höher als der erste Druck ist, umfasst; und - an den Dichtadapter (120) eine auf die Ebene der Zellen (302) senkrecht bewegliche und ein vom Füllgas verschiedenes Prüfgas einleitende Düse (280) angeschlossen ist, wobei die Gasauslassöffnung der Düse (280) entlang der vollen Höhe des Zellenstapels bewegbar ist, und wobei das System (100) weiterhin - ein Massenspektrometer (140) enthält, das über eine druckfeste Leitung mit dem zum Füllgas geringeren Druckes gehörenden Gasauslassstutzen (274) in Strömungsverbindung steht, sowie - einen an das Massenspektrometer (140) angeschlossenen Rechner (150) aufweist.
System nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Füllgas Stickstoff ist.
System nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Prüfgas Helium ist.
System nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass es weiterhin einen die Position der Gasauslassöffnung der Düse (280) im Vergleich zu den Zellen (302) messenden Positionssensor (281) aufweist, dessen Signalausgang an den Rechner (150) angeschlossen ist.
System nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass es weiterhin einen am Dichtadapter (120) durch wenigstens eine Befestigungsbohrung (296) befestigbaren und einen mit der Höhe des Brennstoffzellenstapels gleiche Höhe aufweisenden Strömungsregler (288) aufweist, der eine erste senkrechte Bohrung (290) für das Prüfgas und eine zweite senkrechte Bohrung (292) für das Füllgas höheren Druckes enthält, sowie das Prüfgas und das Füllgas höheren Druckes in einer zu den Bohrungen (290, 292) senkrechten Richtung zu den Zellen führende Schlitze (294) aufweist.