WO2017089015A1 - Leckageüberwachung eines brennstoffzellensystems - Google Patents

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WO2017089015A1
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Helerson Kemmer
Johannes Schild
Alexander Hartmann
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Definitions

  • the invention relates to a method for monitoring the leakage of a fuel cell system
  • Fuel cell system a device for monitoring a
  • Pressure reducers or pressure regulators are used, for example, in fuel cell systems.
  • the pressure regulators are switched, for example, for the fuel supply of a fuel cell stack to a high-pressure system in front of the stack input to the tank pressure, which can be up to 350 or 700 bar depending on the system (high-pressure reducer inlet pressure) to a significantly lower stack inlet pressure from, for example, 9 to 13 bar (medium pressure, pressure reducer outlet pressure).
  • the pressure reducer, d. H. the pressure regulator thus reduces the high pressure to the level of the medium pressure.
  • On the medium pressure side is after the pressure reducer or pressure regulator
  • Pressure relief valve installed that the medium-pressure system and in particular the fuel cell stack to protect against hazards in pressure reducer defects.
  • This safety measure namely the downstream connection of a pressure relief valve in the medium pressure range, in front of the stack input is necessary insofar as the pressure reducer is a component which is subject to aging effects and can be known to fail.
  • Examples of error modes are creeping output pressure increase (low leakage when the system is switched off, without a desired gas flow) and, for example, sudden outflows. pressure increase known and are considered relevant in the present case.
  • the excessively high outlet pressure on the pressure reducer outlet pressure side namely in the medium pressure range, is reduced by triggering the pressure relief valve.
  • the following disadvantages occur:
  • the pressure relief valve ages by frequent triggering and is itself leaking over time, resulting in a permanent low leakage on the medium pressure side.
  • the release of the pressure relief valve can be overlooked or only be perceived optically, for example, by a bleed off from the pressure relief valve cap. It is disadvantageous that after the release of the pressure relief valve and upon detection of the triggering of the pressure relief valve no system reaction or fault storage takes place. The lack of a system reaction or the entry in the error memory is therefore not possible because the pressure relief valve is a passive component for safety reasons, which can not be easily diagnosed by a control or monitoring device.
  • monitoring of the secondary pressure on the pressure reducer output pressure side during operation of the fuel cell system is known only as a monitoring mechanism. A detection of an excessive secondary pressure leads to the shutdown of the gas supply of the
  • Process gas or the process fluid is not active when the controller is off. In vehicle applications, in particular in motor vehicle applications, this is usually the case during the parking phase of the motor vehicle.
  • changes in system pressure can also be caused by temperature changes, for example, when a warm-running vehicle is parked in a cold environment, or a cold vehicle is moved only briefly in a warm environment or changes the ambient temperature without vehicle movement around the vehicle.
  • the secondary pressure during the multi-minute shutdown procedure of the fuel cell system can be monitored, in a phase in which functionally no more gas consumption is possible. If the secondary pressure drops too much during this procedure, it can be assumed that there is a leak in a component of the fuel cell system. However, this mechanism does not detect minor leaks that still cause no detectable pressure drop during the several minute shutdown procedure.
  • the invention proposes an independent method claim
  • a method for monitoring the leakage of a fuel cell system in particular with the characterizing part of the independent
  • the invention proposes a device for monitoring a
  • Control device is executable.
  • the invention proposes a fuel cell system with a device according to the invention with a further independent claim.
  • Fuel cell system provides essential to the invention that the
  • a power generator eg fuel cell system, internal combustion engine or the like
  • Fuel cell system should be understood, for example, a fuel cell system, a tank system and / or an internal combustion engine, wherein in particular at least one pressure regulator for
  • Leakage eg. A pressure regulator leak, also or straight at
  • switched off system - is detected or operable without any energy consumption, namely in the shutdown after the decommissioning of the fuel cell system until the restart of the
  • Fuel cell system advantageously only by temperature effects without a pressure regulator leakage or leakage, a pressure relief valve tripping when the system is switched off, d. H. in the phase after the
  • Decommissioning to re-commissioning of the fuel cell system can be detected.
  • the method according to the invention advantageously a low system leakage on the medium-pressure or
  • Fuel cell system verify.
  • a temperature and pressure measurement in the fuel cell system is advantageously carried out before decommissioning of the fuel cell system, with the resulting measured values for pressure and temperature being considered as measured values M.
  • Output pressure side MP1 output pressure and an input pressure sensor measures on the pressure regulator input side the input pressure HPl (readings M).
  • a temperature sensor advantageously measures the system temperature T1 (measured values M) or iT2 (measured values M) in the fuel cell system, wherein the temperature sensor, for example, in a combined housing together with the
  • Output pressure sensor can be arranged.
  • Fuel cell system measured measured values Tl, MP1 and HPl advantageously detected by a control device and normalized to a standard temperature nTl, for example, 20 ° C, and stored as normalized values nMPl and nHPl in a non-volatile memory of the control device.
  • nTl standard temperature
  • the normalization of the measured pressure values MP1 and HP1 to the values nMP1 and nHP normalized according to the standard temperature nT1 advantageously leads to a marked improvement in the recognition accuracy of the method according to the invention and of the device according to the invention. This will be a through
  • the inventive method provides that after
  • Pressure measurement of the fuel cell system to be repeated meaning when energy consumption is possible again, preferably a
  • the pressure and temperature values T2, MP2 and HP2 recorded at restarting are also temperature-corrected, namely advantageous in order to avoid inaccuracies in the pressure values MP2 and HP2 measured when the fuel cell system is restarted.
  • the actual temperature iT2 should be understood as meaning that the actual temperature prevailing when the system is restarted is recorded. If, for example, the normalized values nMPl and nHPL are corrected to a standard temperature nTl of 20 ° C, the system can be restarted if the normalized values nMPl and nHPL are corrected to a standard temperature nTl of 20 ° C, the system can be restarted if the normalized values nMPl and nHPL are corrected to a standard temperature nTl of 20 ° C, the system can be restarted if the normalized values nMPl and nHPL are corrected to a standard temperature n
  • Measurement inaccuracy due to a caused by temperature effects pressure change can be avoided, in the selected example, the standard temperature nTl deviates from the actual temperature iT2 by 15 ° C.
  • the normalization of the pressure measured values MP2 and HP2 deviating from the standard temperature nT1 to the actual temperature iT2 also advantageously leads to an improvement in the recognition accuracy of the method according to the invention and the device according to the invention.
  • the measured values ⁇ 2 and ⁇ 2 normalized by the standard temperature nT1 to the deviating actual temperature iT2 of the fuel cell system are compared with the stored measured values nMP1 and nHP1 preferably by means of the control device.
  • the temperature-corrected measured values nMP1 and nHP1 with the measured values ⁇ 2 and ⁇ 2 measured when the system is switched on again and normalized to the actual temperature iT2, for example, a fluid loss from the fuel cell system is detected.
  • Measured values ⁇ 2 and ⁇ 2 are a value determined from this above one parameterizable minimum barrier, can be attributed to a gas loss after the shutdown of the system with subsequent restart of the system.
  • the minimally recognized leak rate can advantageously be determined via a calibration parameter.
  • a sensing of the input pressure HP1 and HP2 on a component input pressure side and a sensing of the output pressure MP1 and MP2 on a component output pressure side about which advantageously a localization the fluid loss from the fuel cell system to the component input pressure side and / or the component output pressure side can be specified.
  • the temperature-corrected input pressure HP2 drops, namely by balancing the input pressure nHP normalized to the standard temperature nT1 with the input pressure ⁇ 2 normalized to the actual temperature iT2 beyond a calibratable barrier, the following can be recognized: a) Is current and normalized input pressure ⁇ 2 compared to the stored input pressure nHPl much lower than a lower pressure relief valve hysteresis threshold (in which a triggered
  • the gas loss is due to a leakage to the outside.
  • “Substantial” means: The pressure difference can not be explained by cooling.
  • Gas loss probably due to a triggered pressure relief valve, and thus to a pressure regulator or pressure reducer leakage.
  • the pressure measurement can be continued if the location of the error source is to be safer. If the pressure then does not drop further in the further course, then the gas loss is safe to one
  • the present invention likewise proposes a device for monitoring a fuel cell system, in particular for monitoring the leakage before or during decommissioning of the fuel cell system during or after
  • the device having a control device in which the inventive method is stored.
  • the inventive method is also carried out on the control device.
  • the present invention proposes a fuel cell system with a device according to the invention before and with
  • a pressure regulator having a pressure regulator input pressure side and a pressure regulator output pressure side, wherein a fluid having a
  • Inlet pressure HP1 or HP2 through the pressure regulator inlet pressure side is introduced into the pressure regulator and after the flow through the pressure regulator via the pressure regulator outlet pressure side with a
  • Output pressure MP1 or MP2 can be diverted from the pressure regulator,
  • At least one temperature sensor with which the temperature Tl and iT2 in the fuel cell system is measurable.
  • FIG. 1 shows an embodiment of a device according to the invention
  • Fig. 2 is a diagram illustrating the detection of a leaking
  • FIG. 1 shows a schematic representation of an embodiment variant of a device 100 according to the invention in a fuel cell system 200, which in the present case is a fuel cell system 100 of a fuel cell system 300.
  • the device 100 is used to monitor a pressure regulator 2.
  • the pressure regulator 2 is a pressure regulator input pressure side 3 with a
  • High-pressure system 4 of the fuel cell system 300 fluidly connected.
  • a pressure regulator output pressure side 5 of the pressure regulator 2 is fluidly connected to a medium pressure system 6 of the fuel cell system 300 that in a fuel cell stack 7 of the fuel cell system 300.
  • the pressure regulator 2 serves to the with a pressure of 350 to 700 bar from the
  • the pressure level in the medium pressure system 6 is advantageous at about 9 to 13 bar. Accordingly, the process gas at a pressure of about 9 to 13 bar in the fuel cell stack 7 of the
  • Fuel cell system 300 led. The high pressure system 4 before the
  • Pressure regulator inlet pressure side 3 an inlet pressure sensor 8 is arranged, the input pressure HP1 and HP2 on the input pressure side 3 of
  • Pressure regulator 2 measures. On the pressure regulator outlet side 5 in
  • Medium pressure system 6 is also a pressure sensor, namely a
  • Output pressure sensor 9 is arranged, which measures the output pressure MP1 and MP2 of the process gas or the process fluid, by the pressure regulator 2 from the pressure level of the high-pressure system 4 to the pressure level of the
  • Medium pressure system 6 is down regulated.
  • the pressure of the medium pressure system 6 is down regulated.
  • Control device 20 comprises a memory 25 on which of the Input pressure sensor 8, the output pressure sensor 9 and the measured values HP1 and MP1, which are stored in a memory in the memory
  • Standard temperature nTl were normalized to the values nHPl and nMPl.
  • Method 1 is stored, which serves to determine the values T2, iT2, HP2 and MP2, which are determined via the comparison of the temperature and pressure values Tl, HP1 and MP1 determined during decommissioning with the temperature and pressure values determined during the subsequent recommissioning
  • an upper pressure relief valve hysteresis threshold 400 and a lower pressure relief valve hysteresis threshold 500 for a pressure relief valve 11 arranged in the medium pressure system 6 are advantageously stored on the reservoir 25. If, for example, the input pressure ⁇ 2 corrected to the actual temperature iT2 is compared with the stored or stored on the memory 25 and standardized to the standard temperature nTl or temperature corrected
  • Input pressure nHPl dropped, namely beyond the calibratable barrier, can via the control device 20, a loss of gas from the
  • Fuel cell system 200 detected or reported.
  • FIG. 2 shows a diagram for illustrating the detection of a leaking fuel cell system 200 on the basis of a temperature-corrected one
  • Fuel cell system 200 In the diagram, the time t is plotted on the X-axis and the pressure P on the Y-axis. As can be seen, the actual inlet pressure ⁇ 2 is considerably lower than the lower pressure relief valve
  • Hysteresis threshold 500 in which the triggered pressure relief valve 11 closes again.
  • the inventive method 1 recognizes the
  • a gas loss which is due to leakage of the fuel cell system 200 to the outside.
  • the upper pressure relief valve hysteresis threshold is marked on the Y axis.
  • One significantly lower current input pressure ⁇ 2 means that the
  • Pressure difference between the value stored on the memory 25 of the control device 20 value for the input pressure nHPl, which was measured when decommissioning of the fuel cell system 200 and normalized standard temperature nTl, can not be explained by cooling the fuel cell system 200. If, for example, the temperature iT2 is between -20 ° C and + 50 ° C, the pressure relief valve 11 would trigger at a presumed upper pressure relief valve hysteresis threshold 500 at 15 bar and at a lower one
  • Figure 3 shows the detection of a leaking pressure regulator 2 at a
  • Pressure relief valve hysteresis threshold 400 for the pressure relief valve 11 are. In this case, a gas loss from the fuel cell system 200
  • Output pressure sensor 9 continued. If the inlet pressure HP2 and the outlet pressure MP2 do not drop further in the further course of the measurement, the gas loss is certainly due to a pressure regulator leak.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren (1) zur Leckageüberwachung eines Brennstoffzellensystems (200). Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Leckageüberwachung vor oder bei Außerbetriebnahme des Brennstoffzellensystems (200) und bei oder nach Wiederinbetriebnahme des Brennstoffzellensystems (200) durchgeführt wird.

Description

Beschreibung
Titel
Leckageüberwachung eines Brennstoffzellensystems Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Leckageüberwachung eines
Brennstoffzellensystems, eine Vorrichtung zur Überwachung eines
Brennstoffzellensystems sowie ein Brennstoffzellensystem mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung gemäß den unabhängigen Ansprüchen. Stand der Technik
Druckminderer oder Druckregler werden bspw. in Brennstoffzellen-Systemen verwendet. Die Druckregler werden dabei bspw. für die Brennstoffversorgung eines Brennstoffzellen-Stacks an ein Hochdrucksystem vor den Stack- Eingang geschaltet, um den Tankdruck, der je nach System bis 350 oder 700 bar sein kann (Hochdruckminderer-Eingangsdruck) auf einen wesentlichen niedrigeren Stack-Eingangsdruck von bspw. 9 bis 13 bar zu reduzieren (Mitteldruck, Druckminderer-Ausgangsdruck). Der Druckminderer, d. h. der Druckregler, mindert demnach den Hochdruck auf das Niveau des Mitteldrucks. Auf der Mitteldruckseite ist nach dem Druckminderer bzw. Druckregler ein
Druckentlastungsventil verbaut, dass das Mitteldrucksystem und insbesondere den Brennstoffzellen-Stack vor Gefährdung bei Druckminderer-Defekten schützen soll. Diese Sicherheitsmaßnahme, nämlich die Nachschaltung eines Druckentlastungsventils im Mitteldruckbereich, vor dem Stack-Eingang ist insofern notwendig, da der Druckminderer eine Komponente ist, die Alterungseffekten unterliegt und bekanntermaßen versagen kann. Als Fehlermodi sind bspw. schleichende Ausgangsdruckerhöhung (geringe Leckage bei abgeschaltetem System, ohne gewollten Gasstrom) und beispielsweise plötzliche Ausgangs- druckerhöhung bekannt und werden vorliegend als relevant erachtet. Bei geringer Leckage des Druckminderers wird der zu hohe Ausgangsdruck auf der Druckminderer-Ausgangsdruckseite, nämlich im Mitteldruckbereich, über das Auslösen des Druckentlastungsventils abgebaut. Dabei treten jedoch folgende Nachteile auf:
- Durch Abbau des Gasstroms über das Druckentlastungsventil kommt es zu unerwünschter Freisetzung des Prozessgases bzw. des Prozessfluids.
- Darüber hinaus altert das Druckentlastungsventil durch häufige Auslösung und wird über die Zeit selbst undicht, was zu einer permanenten geringen Leckage auf der Mitteldruckseite führt.
- Zudem kann die Auslösung des Druckentlastungsventils übersehen werden oder aber lediglich optisch wahrgenommen werden, beispielsweise durch eine von dem Druckentlastungsventil abgeblasene Schutzkappe. Dabei ist nachteilhaft, dass nach der Auslösung des Druckentlastungsventils und bei Erkennung der Auslösung des Druckentlastungsventils keine Systemreaktion bzw. Fehlerspeicherung erfolgt. Das Fehlen einer System reaktion oder der Eintrag in den Fehlerspeicher ist deshalb nicht möglich, da das Druckentlastungsventil aus Sicherheitsgründen ein passives Bauteil ist, welches nicht einfach von einem Steuer- oder Kontrollgerät diagnostiziert werden kann.
Deshalb ist lediglich als Überwachungsmechanismus eine Überwachung des Sekundärdrucks auf der Druckminderer-Ausgangsdruckseite während des Betriebs des Brennstoffzellensystems bekannt. Eine Erkennung eines zu hohen Sekundärdrucks führt dabei zur Abschaltung der Gasversorgung des
Prozessgases bzw. des Prozessfluids. Dieser Überwachungsmechanismus ist jedoch nicht aktiv, wenn die Steuerung abgeschaltet ist. In Fahrzeuganwendungen, hier insbesondere in Kraftfahrzeuganwendungen, ist dies während der Abstellphase des Kraftfahrzeugs üblicherweise der Fall.
Bei einer Undichtheit bzw. Leckage des Druckreglers führt dies zunächst zu einem (leicht) sinkenden Eingangsdruck und einem steigenden Sekundärdruck. Durch Auslösen des dem Druckregler nachgeschalteten Druckentlastungsventils sinkt der Ausgangsdruck wieder, und der undichte Druckregler wird weiteres Gas nachführen. Der Eingangsdruck auf der Druckregler- bzw. Druckminderer- Ausgangsdruckseite sinkt in der Folge weiter solange, bis er dem
Ausgangsdruck, d. h. dem Sekundärdruck, angeglichen ist.
Zudem können Änderungen des Systemdrucks auch durch Temperaturänderungen verursacht werden, bspw. wenn ein betriebswarmes Fahrzeug in kalter Umgebung abgestellt wird, oder ein kaltes Fahrzeug nur kurz in einer warmen Umgebung bewegt wird oder aber sich die Umgebungstemperatur ohne Fahrzeugbewegung um das Fahrzeug herum ändert.
Zwar kann der Sekundärdruck während der mehrminütigen Abschaltprozedur des Brennstoffzellensystems überwacht werden, und zwar in einer Phase, in der funktional kein Gasverbrauch mehr möglich ist. Sinkt während dieser Prozedur der Sekundärdruck zu stark ab, kann davon ausgegangen werden, dass ein Leck in einem Bauteil des Brennstoffzellensystems vorhanden ist. Jedoch erkennt dieser Mechanismus keine geringen Undichtheiten, die während der einige Minuten dauernden Abschaltprozedur noch keinen erkennbaren Druckabfall verursachen.
Offenbarung der Erfindung
Die Erfindung schlägt mit einem unabhängigen Verfahrensanspruch ein
Verfahren zur Leckageüberwachung eines Brennstoffzellensystems vor, insbesondere mit dem kennzeichnenden Teil des unabhängigen
Verfahrensanspruchs. Zudem schlägt die Erfindung gemäß einem unabhängigen Vorrichtungsanspruch eine Vorrichtung zur Überwachung eines
Brennstoffzellensystems vor, welches eine Kontrollvorrichtung aufweist, in der das erfindungsgemäße Verfahren gespeichert ist und vorteilhaft auf der
Kontrollvorrichtung ausführbar ist. Schließlich schlägt die Erfindung mit einem weiteren nebengeordnetem Anspruch ein Brennstoffzellensystem mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung vor.
Weitere Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Verfahrensansprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung und dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem und jeweils umgekehrt, so dass bezüglich der
Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird, bzw. werden kann.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Leckageüberwachung eines
Brennstoffzellensystems sieht erfindungswesentlich vor, dass die
Leckageüberwachung (insbesondere ausschließlich) vor oder bei einer
Außerbetriebnahme des Brennstoffzellensystems Messwerte M erfasst und (insbesondere ausschließlich) bei oder nach einer Wiederinbetriebnahme des
Brennstoffzellensystems Messwerte N erfasst und die Messwerte M und N miteinander vergleicht. Eine Leckageüberwachung während der Abstellphase ist damit nicht erforderlich, in der auch keine Energie von einem Energieerzeuger (z. B. Brennstoffzellensystem, Verbrennungsmotor oder dergleichen), der zum Brennstoffzellensystem gehört oder davon betrieben wird, vorhanden ist. Als
Brennstoffzellensystem gemäß der vorliegenden Erfindung soll dabei bspw. ein Brennstoffzellensystem, ein Tanksystem und/oder ein Verbrennungsmotor verstanden werden, wobei insbesondere zumindest ein Druckregler zur
Regulierung des Brennstoffs zum Einsatz kommt.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist dahingehend vorteilhaft, dass eine
Leckage, bspw. eine Druckregler-Undichtheit, auch bzw. gerade bei
abgeschaltetem System - ohne jeglichen Energieverbrauch - erkannt wird bzw. betreibbar ist, nämlich in der Abstellphase nach der Außerbetriebnahme des Brennstoffzellensystems bis zur Wiederinbetriebnahme des
Brennstoffzellensystems. Dabei kann vorteilhaft ein nur durch Temperatureffekte ohne eine Druckregler-Leckage bzw. Undichtheit eine Druckentlastungsventil- Auslösung bei abgeschaltetem System, d. h. in der Phase nach der
Außerbetriebnahme bis zur Wiederinbetriebnahme des Brennstoffzellensystems, erkannt werden. Zudem lässt sich mit dem erfindungsgemäßen Verfahren vorteilhaft eine geringe Systemundichtheit auf den Mitteldruck- oder
Hochdruckbereich, d. h. auf das Mitteldruck- oder Hochdrucksystem des
Brennstoffzellensystems, verifizieren. Um für die Abstellphase, die zwischen der Außerbetriebnahme des Brennstoffzellensystems und der anschließenden Wiederinbetriebnahme des Brennstoffzellensystems liegt, die Leckageüberwachung durchführen bzw. überbrücken zu können, wird vorteilhaft vor Außerbetriebnahme des Brennstoffzellensystems eine Temperatur- und Druckmessung im Brennstoffzellensystem durchgeführt, wobei die sich dabei ergebenden Messwerte für Druck und Temperatur als Messwerte M gelten.
Dabei misst vorteilhaft ein Ausgangsdrucksensor auf der Druckregler-
Ausgangsdruckseite den Ausgangsdruck MP1 und ein Eingangsdrucksensor misst auf der Druckregler- Eingangsseite den Eingangsdruck HPl (Messwerte M). Ergänzend misst vorteilhaft ein Temperatursensor die Systemtemperatur Tl (Messwerte M) oder iT2 (Messwerte M) im Brennstoffzellensystem, wobei der Temperatursensor bspw. in einem kombinierten Gehäuse zusammen mit dem
Ausgangsdrucksensor angeordnet sein kann.
Vorzugsweise werden die bei der Temperatur- und Druckmessung des
Brennstoffzellensystems gemessenen Messwerte Tl, MP1 und HPl vorteilhaft von einer Kontrollvorrichtung erfasst und auf eine Standardtemperatur nTl, die bspw. 20°C ist, normiert und als normierte Werte nMPl und nHPl in einem nicht flüchtigen Speicher der Kontrollvorrichtung gespeichert. Die Normierung der gemessenen Druckwerte MP1 und HPl auf die gemäß der Standardtemperatur nTl normierten Werte nMPl und nHPl führt dabei vorteilhaft zu einer starken Verbesserung der Erkennungsgenauigkeit des erfindungsgemäßen Verfahrens und der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Dadurch wird eine durch
Temperatureffekte (z.B. durch Abkühlung des Systems) hervorgerufene
Ungenauigkeit vermieden, die zu Druckänderungen im zweistelligen
Prozentbereich beitragen kann.
Als vorteilhaft sieht das erfindungsgemäße Verfahren vor, dass nach
Außerbetriebnahme des Brennstoffzellensystems bei anschließender
Wiederinbetriebnahme des Brennstoffzellensystems die Temperatur- und
Druckmessung des Brennstoffzellensystems wiederholt werden, gemeint ist, wenn wieder ein Energieverbrauch möglich ist, da vorzugsweise ein
Energieerzeuger des Systems wieder Energie liefert. Das bedeutet, dass nach Wiedereinschalten des Brennstoffzellensystems die beim Wiedereinschalten bzw. bei Wiederinbetriebnahme des Brennstoffzellensystems herrschenden Drücke und Temperaturen erfasst werden. Dabei werden in vorteilhafter Weise die bei anschließender Wiederinbetriebnahme des Brennstoffzellensystems gemessenen Temperatur- und Druckmesswerte T2, MP2 und HP2 (auch als Messwerte N bezeichnet) auf eine von der Standardtemperatur nTl
abweichende Ist-Temperatur iT2 des Brennstoffzellensystems auf ΪΜΡ2 und ΪΗΡ2 normiert. Das bedeutet, dass die bei Wiederinbetriebnahme erfassten Druck- und Temperaturwerte T2, MP2 und HP2 ebenfalls temperaturkorrigiert werden, nämlich vorteilhaft, um Ungenauigkeiten, der bei Wiederinbetriebnahme des Brennstoffzellensystems gemessenen Druckwerte MP2 und HP2 zu vermeiden. Die Ist-Temperatur iT2 ist dabei so zu verstehen, dass die tatsächliche bei Wiederinbetriebnahme des Systems herrschende Temperatur erfasst wird. Sind bspw. die normierten Werte nMPl und nHPl auf eine Standardtemperatur nTl von 20°C korrigiert, kann bei einer Wiederinbetriebnahme des
Brennstoffzellensystems bei einer Temperatur von bspw. 5°C eine
Messungenauigkeit aufgrund einer durch Temperatureffekte hervorgerufenen Druckänderung vermieden werden, wobei bei dem gewählten Beispiel die Standardtemperatur nTl von der Ist-Temperatur iT2 um 15°C abweicht.
Demnach führt die Normierung der Druckmesswerte MP2 und HP2 abweichend von der Standardtemperatur nTl auf die Ist-Temperatur iT2 ebenfalls vorteilhaft zu einer Verbesserung der Erkennungsgenauigkeit des erfindungsgemäßen Verfahrens und der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
Vorteilhaft werden die von der Standardtemperatur nTl auf die abweichende Ist- Temperatur iT2 des Brennstoffzellensystems normierten Messwerte ΪΜΡ2 und ΪΗΡ2 mit den gespeicherten Messwerten nMPl und nHPl vorzugsweise mittels der Kontrollvorrichtung miteinander verglichen. Vorteilhaft wird durch den Vergleich der temperaturkorrigierten Messwerte nMPl und nHPl mit den beim Wiedereinschalten des Systems gemessenen und auf die Ist-Temperatur iT2 normierten Messwerte ΪΜΡ2 und ΪΗΡ2 beispielsweise ein Fluidverlust aus dem Brennstoffzellensystem erkannt. Sind dabei bspw. die Mitteldruck- und
Hochdruckseite des Brennstoffzellensystems technisch dicht, kommt es über eine typische Abstellphase hinweg (z. B. über Nacht) zu keinem erkennbaren Druckabfall, was aufgrund des Abgleichs der Messwerte nMPl und nHPl mit den Messwerten ΪΜΡ2 und ΪΗΡ2 bestätigt werden kann.
Liegt jedoch bei dem Abgleich der Messwerte nMPl und nHPl mit den
Messwerten ΪΜΡ2 und ΪΗΡ2 ein daraus ermittelter Wert oberhalb einer parametrierbaren minimalen Schranke, kann nach der Abstellphase des Systems bei anschließender Wiederinbetriebnahme des Systems auf einen Gasverlust zurückgeführt werden. Dabei kann vorteilhaft die minimal erkannte Leckrate über einen Kalibrierparameter festgelegt werden.
Um eine Spezifizierung der Leckage, die die Leckrate verursacht, zu erreichen, erfolgt gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren vorteilhaft eine Sensierung des Eingangsdrucks HP1 und HP2 auf einer Bauteil-Eingangsdruckseite und eine Sensierung des Ausgangsdrucks MP1 und MP2 auf einer Bauteil- Ausgangsdruckseite, worüber vorteilhaft eine Lokalisierung des Fluidverlusts aus dem Brennstoffzellensystem auf die Bauteil-Eingangsdruckseite und/oder die Bauteil-Ausgangsdruckseite spezifiziert werden kann. Durch Sensierung des Eingangsdrucks HP1 und HP2 auf der Bauteil-Eingangsdruckseite und durch Sensierung des Ausgangsdrucks MP1 und MP2 auf der Bauteil- Ausgangsdruckseite, kann der Fluidverlust aus dem Brennstoffzellensystem auf die M ittel druckseite (Bauteil-Eingangsdruckseite) oder die Hochdruckseite (Bauteil-Ausgangsdruckseite) des Brennstoffzellensystems lokalisiert werden.
Vorteilhaft lässt sich mit dem erfindungsgemäßen Verfahren bei einem Absinken des temperaturkorrigierten Eingangsdrucks HP2, nämlich durch Abgleich des auf die Standardtemperatur nTl normierten Eingangsdruck nHPl mit dem auf die Ist- Temperatur iT2 normierten Eingangsdruck ΪΗΡ2 über eine kalibrierbare Schranke hinaus, folgendes erkennen: a) Ist der aktuelle und normierte Eingangsdruck ΪΗΡ2 im Vergleich zu dem gespeicherten Eingangsdruck nHPl wesentlich niedriger als eine untere Druckentlastungsventil-Hystereseschwelle (bei der ein ausgelöstes
Druckentlastungsventil wieder schließt), so ist der Gasverlust auf eine Undichtheit nach außen zurückzuführen.„Wesentlich" bedeutet: Der Druckunterschied ist nicht durch Abkühlung zu erklären.
Beispiel: Die Systemtemperatur liegt unter allen Umgebungsbedingungen sicher zwischen -20°c und +50°C. Auslösung Druckentlastungsventil bei 15 bar, Wiederverschließen bei 13.5 bar, bei 323 K. Abkühlung auf 253 K bewirkt Druckabfall auf ca. 10.5 bar. ~ Ein Druck < ca. 10 bar kann nicht (nur) durch ein ausgelöstes Druckentlastungsventil verursacht sein. b) Sind der aktuelle und normierte Eingangsdruck ΪΗ Ρ2 und der aktuelle und normierte Ausgangsdruck ΪΜΡ2 im Vergleich zu dem gespeicherten Eingangsdruck nHPl und zu dem gespeicherten Ausgangsdruck nMP2 gleich der unteren Druckentlastungsventil-Hystereseschwelle (bzw. in dem Bereich, der durch Temperatureffekte daher rühren kann), so ist der
Gasverlust wahrscheinlich auf ein ausgelöstes Druckentlastungsventil zurückzuführen, und damit auf eine Druckregler- oder Druckminderer Undichtheit. In diesem Fall kann die Druckmessung fortgesetzt werden, wenn die Ortung der Fehlerquelle sicherer sein soll. Fällt der Druck dann im weiteren Verlauf nicht weiter ab, so ist der Gasverlust sicher auf eine
Druckregler- oder Druckminderer-Undichtheit zurückzuführen.
c) Ist der aktuelle und normierte Eingangsdruck ΪΗΡ2 nicht mehr gleich hoch wie zum Abstellzeitpunkt HP1, temperaturkorrigiert auf nHPl, aber noch weit höher als der Ausgangsdruck ΪΜΡ2, so hat es einen definierten Gasverlust gegeben. Dieser Gasverlust ist möglicherweise auf einen
Druckanstieg im Mitteldruckteil (Mitteldrucksystem) wegen Temperaturanstieg, und dadurch verursachtes Druckentlastungsventilauslösen, zurückzuführen. In diesem Fall kann die Druckmessung HP2 und MP2 fortgesetzt werden, wenn die Ortung der Fehlerquelle sicherer sein soll. Fällt der Druck dann im weiteren Verlauf nicht weiter ab, so ist der
Gasverlust sicher auf den Temperatureffekt zurückzuführen.
Die vorliegende Erfindung schlägt ebenfalls eine Vorrichtung zur Überwachung eines Brennstoffzellensystems, insbesondere zur Leckageüberwachung vor oder bei Außerbetriebnahme des Brennstoffzellensystems bei oder nach
anschließender Wiederinbetriebnahme des Brennstoffzellensystems vor, wobei die Vorrichtung eine Kontrollvorrichtung aufweist, in der das erfindungsgemäße Verfahren gespeichert ist. Vorteilhaft wird das erfindungsgemäße Verfahren zudem auf der Kontrollvorrichtung ausgeführt.
Zudem schlägt die vorliegende Erfindung ein Brennstoffzellensystem mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung vor und mit
- einem Druckregler mit einer Druckregler-Eingangsdruckseite und einer Druckregler-Ausgangsdruckseite, wobei ein Fluid mit einem
Eingangsdruck HP1 oder HP2 über die Druckregler- Eingangsdruckseite in den Druckregler einleitbar ist und nach dem Durchfluss durch den Druckregler über die Druckregler-Ausgangsdruckseite mit einem
Ausgangsdruck MP1 oder MP2 aus dem Druckregler ausleitbar ist,
- wenigstens einem auf der Druckregler-Ausgangsdruckseite
angeordneten Druckentlastungsventil,
- einem Eingangsdrucksensor, mit dem der Eingangsdruck HP1 und HP2 auf der Druckregler-Eingangsdruckseite sensierbar ist,
- einem Ausgangsdrucksensor, mit dem der Ausgangsdruck MP1 und MP2 auf der Druckregler-Ausgangsdruckseite sensierbar ist, und
- wenigstens einem Temperatursensor, mit dem die Temperatur Tl und iT2 im Brennstoffzellensystem messbar ist.
Um hier Wiederholungen bezüglich weiterer Vorteile der erfindungsgemäßen Vorrichtung und des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems zu vermeiden, wird auf die Beschreibung der vorteilhaften Ausgestaltung des
erfindungsgemäßen Verfahrens verwiesen und es wird vollumfänglich auf diese zurückgegriffen.
Weitere, die Erfindung verbessernde Maßnehmen ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung, welche in den Figuren schematisch dargestellt sind. Sämtliche aus den Ansprüchen, der Beschreibung oder den Zeichnungen hervorgehenden Merkmale und/oder Vorteile, einschließlich konstruktiver Einzelheiten, räumlicher Anordnungen und Verfahrensschritte können sowohl für sich als auch in verschiedensten
Kombinationen erfindungswesentlich sein. Dabei ist zu beachten, dass die Figuren nur beschreibenden Charakter haben und nicht dazu gedacht sind, die Erfindung in irgendeiner Form einzuschränken. Es zeigen:
Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung,
Fig. 2 ein Diagramm zur Darstellung der Erkennung eines undichten
Systems mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und ein Diagramm mit Erkennung eines undichten Druckreg gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren. In den unterschiedlichen Figuren sind gleiche Teile stets mit denselben
Bezugszeichen versehen, weshalb diese in der Regel nur einmal beschrieben werden.
Figur 1 zeigt in einer schematischen Darstellung eine Ausführungsvariante einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 100 in einem Brennstoffzellensystem 200, das vorliegend ein Brennstoffzellensystem 100 eines Brennstoffzellensystems 300 ist. Die Vorrichtung 100 dient zur Überwachung eines Druckreglers 2. Der Druckregler 2 ist über eine Druckregler- Eingangsdruckseite 3 mit einem
Hochdrucksystem 4 des Brennstoffzellensystems 300 fluidtechnisch verbunden. Über eine Druckregler-Ausgangsdruckseite 5 ist der Druckregler 2 fluidtechnisch mit einem Mitteldrucksystem 6 des Brennstoffzellensystems 300 verbunden, dass in einen Brennstoffzellen-Stack 7 des Brennstoffzellensystems 300. Der Druckregler 2 dient dazu, um das mit einem Druck von 350 bis 700 bar aus dem
Hochdrucksystem 4 geleitete Prozessgas, Prozessfluid bzw. Brenngas, bspw. Wasserstoff, auf das Druckniveau für den Stackeingangsdruck zu reduzieren, wobei das Druckniveau im Mitteldrucksystem 6 vorteilhaft bei ca. 9 bis 13 bar liegt. Über das Mitteldrucksystem 6 wird demnach das Prozessgas mit einem Druck von ca. 9 bis 13 bar in den Brennstoffzellen-Stack 7 des
Brennstoffzellensystems 300 geführt. Dem Hochdrucksystem 4 vor der
Druckregler- Eingangsdruckseite 3 ist ein Eingangsdrucksensor 8 angeordnet, der den Eingangsdruck HP1 und HP2 auf der Eingangsdruckseite 3 des
Druckreglers 2 misst. Auf der Druckregler-Ausgangsdruckseite 5 im
Mitteldrucksystem 6 ist ebenfalls ein Drucksensor, nämlich ein
Ausgangsdrucksensor 9 angeordnet, der den Ausgangsdruck MP1 und MP2 des Prozessgases bzw. des Prozessfluids misst, der durch den Druckregler 2 von dem Druckniveau des Hochdrucksystems 4 auf das Druckniveau des
Mitteldrucksystems 6 herunter reguliert ist. Zudem ist in einem den
Ausgangsdrucksensor 9 umgebenden Gehäuse 30 ein Temperatursensor 10 angeordnet, der zur Temperaturmessung der Temperatur Tl, T2 und iT2 des Brennstoffzellensystems dient. Sowohl der Eingangsdrucksensor 8 als auch der Ausgangsdrucksensor 9, wie auch der Temperatursensor 10 sind elektrisch und/oder elektronisch mit einer Kontrollvorrichtung 20 verbunden. Die
Kontrollvorrichtung 20 umfasst einen Speicher 25 auf dem die von dem Eingangsdrucksensor 8, dem Ausgangsdrucksensor 9 und dem gemessenen Werte HP1 und MP1, die auf einer in dem Speicher hinterlegten
Standardtemperatur nTl auf die Werte nHPl und nMPl normiert wurden, gespeichert sind. Zudem sind vorteilhaft in dem Speicher 25 Kalibrierparameter für minimale Schranken bzw. Toleranzschwellen und das erfindungsgemäße
Verfahren 1 hinterlegt, was dazu dient, um den über den Abgleich der bei der Außerbetriebnahme ermittelten Temperatur und Druckwerte Tl, HP1 und MP1 mit den bei der anschließenden Wiederinbetriebnahme ermittelten Temperatur- und Druckwerten ermittelten Werten T2, iT2, HP2 und MP2 einem
Funktionszustand des Druckreglers 2 oder des Brennstoffzellensystems 100 zuzuordnen, d. h. beispielsweise um eine Leckage im Brennstoffzellensystem 100, wie beispielsweise im Druckregler 2 zu erkennen. Zudem ist vorteilhaft auf dem Speicher 25 Werte eine obere Druckentlastungsventil-Hystereseschwelle 400 und eine untere Druckentlastungsventil-Hystereseschwelle 500 für ein im Mitteldrucksystem 6 angeordnetes Druckentlastungsventil 11 gespeichert. Ist bspw. der auf die Ist-Temperatur iT2 temperaturkorrigierte Eingangsdruck ΪΗΡ2 gegenüber dem auf dem Speicher 25 hinterlegten bzw. abgespeicherten und auf die Standardtemperatur nTl normierten bzw. temperaturkorrigierten
Eingangsdruck nHPl abgesunken, nämlich über die kalibrierbare Schranke hinaus, kann über die Kontrollvorrichtung 20 ein Gasverlust aus dem
Brennstoffzellensystem 200 erkannt bzw. gemeldet werden.
Figur 2 zeigt ein Diagramm zur Darstellung der Erkennung eines undichten Brennstoffzellensystems 200 anhand eines temperaturkorrigierten
Eingangsdruck ΪΗΡ2, der gegenüber dem gespeicherten Eingangsdruck nHPl über die kalibrierbare Schranke hinaus abgesunken ist. Ist dies der Fall, erkennt die Kontrollvorrichtung 20 einen Gasverlust aus dem
Brennstoffzellensystem 200. In dem Diagramm ist auf der X-Achse die Zeit t und auf der Y-Achse der Druck P eingezeichnet. Wie zu erkennen ist, ist der aktuelle Eingangsdruck ΪΗΡ2 wesentlich niedriger als die untere Druckentlastungsventil-
Hystereseschwelle 500, bei der das ausgelöste Druckentlastungsventil 11 wieder schließt. Dabei erkennt das erfindungsgemäße Verfahren 1 mit der
erfindungsgemäßen Vorrichtung einen Gasverlust, der auf eine Undichtheit des Brennstoffzellensystems 200 nach außen zurückzuführen ist. Mit 500 ist die obere Druckentlastungsventil-Hystereseschwelle auf der Y-Achse markiert. Ein wesentlich niedrigerer aktueller Eingangsdruck ΪΗΡ2 bedeutet, dass der
Druckunterschied zwischen dem auf dem Speicher 25 der Kontrollvorrichtung 20 gespeicherten Wert für den Eingangsdruck nHPl, der bei Außerbetriebnahme des Brennstoffzellensystems 200 gemessen und auch die Standardtemperatur nTl normiert wurde, nicht durch Abkühlung des Brennstoffzellensystems 200 zu erklären ist. Liegt bspw. die Temperatur iT2 zwischen -20°C und +50°C würde bei einer angenommenen oberen Druckentlastungsventil-Hystereseschwelle 500 bei 15 bar das Druckentlastungsventil 11 auslösen und bei einer unteren
Druckentlastungs-Hystereseschwelle 400 bei 13,5 bar bei 323 K wieder schließen. Eine Abkühlung des Brennstoffzellensystems 200 auf eine Ist- Temperatur iT2 von 253 K würde einen Druckabfall auf ca. 10,5 bar bewirken. Demnach kann der aktuelle Eingangsdruck ΪΗΡ2, der unter 10 bar liegt, nicht nur durch das ausgelöste Druckentlastungsventil 11 verursacht sein. Insofern ist auf ein undichtes Brennstoffzellensystem 200 nach außen zu schließen.
Figur 3 zeigt die Erkennung eines undichten Druckreglers 2 bei einem
abgesunkenen aktuellen Eingangsdruck ΪΗΡ2 und einem abgesunkenen aktuellen Ausgangsdruck ΪΝΡ2, die beide gleich der unteren
Druckentlastungsventil-Hystereseschwelle 400 für das Druckentlastungsventil 11 liegen. Dabei ist ein Gasverlust aus dem Brennstoffzellensystem 200
wahrscheinlich auf ein ausgelöstes Druckentlastungsventil 11 zurückzuführen, und damit auf eine Undichtheit bzw. Leckage des Druckreglers 11. Um die Undichtheit des Druckreglers 2 auszugleichen, nämlich um das Druckniveau im Mitteldrucksystem 6 einzustellen, öffnet und schließt das
Druckentlastungsventil 11 bis das Druckniveau im Mitteldrucksystem 6 eingestellt ist, oder aber die Leckage des Druckreglers 2 endet. Um in diesem Fall die Ortung der Fehlerquelle genau auf den Druckregler 2 zu verifizieren, wird vorteilhaft die Druckmessung über den Eingangsdrucksensor 8 und den
Ausgangsdrucksensor 9 fortgesetzt. Fällt der Eingangsdruck HP2 und der Ausgangsdruck MP2 im weiteren Verlauf der Messung nicht weiter ab, so ist der Gasverlust sicher auf eine Druckregler-Undichtheit zurückzuführen.

Claims

Ansprüche
1. Verfahren (1) zur Leckageüberwachung eines Brennstoffzellensystems (200),
dadurch gekennzeichnet,
dass die Leckageüberwachung vor oder bei Außerbetriebnahme des Brennstoffzellensystems (200) Messwerte M erfasst und bei oder nach Wiederinbetriebnahme des Brennstoffzellensystems (200) Messwerte N erfasst und die Messwerte M und N miteinander vergleicht.
2. Verfahren (1) nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass vor Außerbetriebnahme des Brennstoffzellensystems (200) die Messwerte M in Form von Temperatur- und Druckmessung im
Brennstoffzellensystem (200) erfasst werden.
3. Verfahren (1) nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet,
dass die bei der Temperatur- und Druckmessung des
Brennstoffzellensystems (200) gemessenen Messwerte M Messwerte Tl, MP1 und HP1 umfassen, die auf eine Standardtemperatur nTl normiert werden und als normierte Werte nMPl und nHPl in einem nicht flüchtigen Speicher (25) gespeichert werden.
4. Verfahren (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass bei anschließender Wiederinbetriebnahme des
Brennstoffzellensystems (200) die Messwerte N durch eine Temperatur- und Druckmessung des Brennstoffzellensystems (200) erfasst werden.
5. Verfahren (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass die bei anschließender Wiederinbetriebnahme des
Brennstoffzellensystems (200) gemessenen Messwerte N als Temperatur- und Druckmesswerte T2, MP2 und HP2 auf eine von der
Standardtemperatur nTl abweichende Ist-Temperatur iT2 des
Brennstoffzellensystems (200) auf nMP2 und nHP2 normiert werden.
Verfahren (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass die auf eine von der Standardtemperatur nTl abweichende Ist- Temperatur iT2 des Brennstoffzellensystems (200) korrigierten Messwerte ΪΜΡ2 und ΪΗΡ2 mit den gespeicherten Messwerten nMPl und nHPl verglichen werden.
Verfahren (1) nach Anspruch 6
dadurch gekennzeichnet,
dass über den Abgleich der gespeicherten temperaturkorrigierten
Messwerte nMPl und nHPl mit den beim Wiedereinschalten des Systems gemessenen und temperaturkorrigierten Messwerten ΪΜΡ2 und ΪΗΡ2 ein Fluidverlust aus dem Brennstoffzellensystem (200) erkannt wird.
Verfahren (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass durch Sensierung des Eingangsdruckes HP1 und HP2 auf einer Bauteil-Eingangsdruckseite (3) und durch Sensierung des
Ausgangsdruckes MPl und MP2 auf einer Bauteil-Ausgangsdruckseite (5) eine Lokalisation des Fluidverlustes aus dem Brennstoffzellensystem (200) auf die Bauteil-Eingangsdruckseite (3) und/oder die Bauteil- Ausgangsdruckseite (5) spezifiziert wird.
Vorrichtung (100) zur Überwachung eines Brennstoffzellensystems (200), insbesondere zur Leckageüberwachung vor oder bei Außerbetriebnahme des Brennstoffzellensystems (200) und bei oder nach anschließender Wiederinbetriebnahme des Brennstoffzellensystems (200) mit einer Kontrollvorrichtung (20), in der das erfindungsgemäße Verfahren (1) gespeichert ist. Brennstoffzellensystem (200) mit einer Vorrichtung (100) gemäß Anspruch 9 und mit
- einem Druckregler (2) mit einer Druckregler-Eingangsdruckseite (3) und einer Druckregler-Ausgangsdruckseite (5), wobei ein Fluid mit einem Eingangsdruck HP über die Druckregler- Eingangsdruckseite (3) in den Druckregler (2) einleitbar ist und nach dem Durchfluss durch den Druckregler (2) über die Druckregler-Ausgangsdruckseite (5) mit einem Ausgangsdruck MP aus dem Druckregler ausleitbar ist,
- wenigstens einem auf der Druckregler-Ausgangsdruckseite (5)
angeordneten Druckentlastungsventil (11),
- einem Eingangsdrucksensor (8), mit dem der Eingangsdruck HP auf der Druckregler-Eingangsdruckseite sensierbar ist,
- einem Ausgangsdrucksensor (9), mit dem der Ausgangsdruck MP auf der Druckregler-Ausgangsdruckseite sensierbar ist, und
- wenigstens einem Temperatursensor, mit dem die Temperatur T im Brennstoffzellensystem messbar ist.
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