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DE102006037798A1 - Method for monitoring the functionality of a pressure sensor in a fuel cell system - Google Patents

Method for monitoring the functionality of a pressure sensor in a fuel cell system Download PDF

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DE102006037798A1
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Germany
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pressure
fuel cell
pressure sensor
fuel
cell system
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Withdrawn
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DE102006037798A
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German (de)
Inventor
Uwe Dr.-Ing. Limbeck
Helmut Dipl.-Ing. Müller (FH)
Sven Dr.-Ing. Schmalzriedt
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Mercedes Benz Group AG
Ford Global Technologies LLC
Original Assignee
Daimler AG
Ford Global Technologies LLC
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Publication date
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Überwachung der Funktionsfähigkeit eines Drucksensors in einem Brennstoffzellensystem, insbesondere beim Kaltstart eines durch das Brennstoffzellensystem angetriebenen Kraftfahrzeugs, wobei das Brennstoffzellensystem wenigstens eine Brennstoffzelle mit daran angeschlossenen Leitungen für Brennstoff und Oxidationsmittel umfasst und der Drucksensor zur Drucküberwachung des Druckes an einer vorgegebenen Position in den Leitungen und/oder der Brennstoffzelle vorgesehen ist und in Abhängigkeit des vom ihm erfassten Druckes ein Messsignal erzeugt. Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass der Druck an der vorgegebenen Position gezielt variiert wird, das während der Variation erzeugte Messsignal mit einem Vorgabewert verglichen wird und das Vergleichsergebnis zur Bewertung der Funktionsfähigkeit des Drucksensors ausgewertet wird.The invention relates to a method for monitoring the functionality of a pressure sensor in a fuel cell system, in particular during cold start of a motor vehicle driven by the fuel cell system, wherein the fuel cell system comprises at least one fuel cell connected thereto for fuel and oxidant and the pressure sensor for pressure monitoring of the pressure at a predetermined Position is provided in the lines and / or the fuel cell and generates a measurement signal depending on the pressure detected by it. The invention is characterized in that the pressure at the predetermined position is selectively varied, the measurement signal generated during the variation is compared with a default value, and the comparison result is evaluated to evaluate the functionality of the pressure sensor.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Überwachung der Funktionsfähigkeit eines Drucksensors in einem Brennstoffzellensystem, insbesondere beim Kaltstart eines durch das Brennstoffzellensystem angetriebenen Kraftfahrzeugs.The The invention relates to a method for monitoring the functionality a pressure sensor in a fuel cell system, in particular during cold start of a driven by the fuel cell system Motor vehicle.

Drucksensoren, deren Funktionsfähigkeit gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung überwacht werden soll, werden in Brennstoffzellensystemen beispielsweise dafür verwendet, die Dosierung von Brennstoff, in der Regel Wasserstoff, zu regeln. Insbesondere soll der Wasserstoffdruck in der Anode beziehungsweise auf der Anodenseite der Brennstoffzelle konstant gehalten werden, während Wasserstoff in der Brennstoffzelle elektrochemisch umgesetzt wird und gleichzeitig „frischer" Wasserstoff zudosiert wird. Wenn in der vorliegenden Beschreibung der Begriff Brennstoffzelle verwendet wird, so soll er sowohl eine einzelne Brennstoffzelle als auch einen Stapel von Brennstoffzellen (Brennstoffzellenstack) umfassen, wie er in der Regel bei Brennstoffzellensystemen, beispielsweise zum Antreiben eines Kraftfahrzeugs, verwendet wird.Pressure sensors, their functionality according to embodiments of the present invention be used in fuel cell systems, for example, for the dosage of fuel, usually hydrogen, to regulate. In particular, the hydrogen pressure in the anode or be kept constant on the anode side of the fuel cell, while hydrogen is converted electrochemically in the fuel cell and at the same time added "fresh" hydrogen becomes. If in the present description the term fuel cell is used, so he should both a single fuel cell also comprise a stack of fuel cells (fuel cell stack), as he usually does with fuel cell systems, for example for driving a motor vehicle.

Ein weiteres Anwendungsgebiet von einem oder mehreren Drucksensoren ist die Einstellung des Luftdruckes beziehungsweise allgemein des Druckes des Oxidationsmittels in der Kathode beziehungsweise auf der Kathodenseite. Auch hierfür kann die vorliegende Erfindung zur Überwachung der Funktionsfähigkeit dieses Drucksensors beziehungsweise dieser Drucksensoren verwendet werden.One Another application of one or more pressure sensors is the setting of the air pressure or generally the Pressure of the oxidant in the cathode or on the cathode side. Also for this For example, the present invention can be used to monitor operability this pressure sensor or these pressure sensors used become.

Ferner können Differenzdrucksensoren in Brennstoffzellensystemen verwendet werden, um einen Differenzdruck, beispielsweise zwischen der Anode und der Kathode beziehungsweise der Anodenseite und der Kathodenseite, zu erfassen. Auch solche Differenzdrucksensoren können gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung hinsichtlich ihrer Funktionsfähigkeit überwacht werden.Further can Differential pressure sensors are used in fuel cell systems, by a differential pressure, for example between the anode and the Cathode or the anode side and the cathode side, too to capture. Also, such differential pressure sensors can according to one embodiment the functionality of the present invention is monitored become.

Durch Kondensation während des Betriebs des Brennstoffzellensystems kann sich Wasser in den genannten Drucksensoren oder in Leitungen, an welchen die Drucksensoren druckerfassend angeschlossen sind, ansammeln, siehe die 1. Bei Außerbetriebnahme des Brennstoffzellensystems in einer kalten Umgebung, beispielsweise in einem Kraftfahrzeug im Winter, und unter sehr ungünstigen Randbedingungen möglicherweise auch bei Betrieb des Brennstoffzellensystems kann dieses Wasser gefrieren und den Drucksensor vom zu überwachenden Betriebsdruck entkoppeln. Bei einem erneuten Start (Kaltstart) des Brennstoffzellensystems beziehungsweise bei einem Weiterbetreiben des Brennstoffzellensystems im zweitgenannten Fall wird somit vom Drucksensor ein Druck, in der Regel der letzte Druck vor dem Einfrieren, gemessen, welcher dem aktuellen zu überwachenden Betriebsdruck möglicherweise nicht mehr entspricht. Hierdurch werden fehlerhafte Drucksignale vom Drucksensor verarbeitet, eine zuverlässige Drucküberwachung des Brennstoffzellensystems ist nicht mehr gewährleistet.By condensation during operation of the fuel cell system, water can accumulate in said pressure sensors or in lines to which the pressure sensors are pressure sensing connected, see the 1 , When decommissioning of the fuel cell system in a cold environment, such as in a motor vehicle in winter, and under very unfavorable conditions possibly also during operation of the fuel cell system, this water can freeze and decouple the pressure sensor from the monitored operating pressure. In a restart (cold start) of the fuel cell system or in a continued operation of the fuel cell system in the second case thus by the pressure sensor, a pressure, usually the last pressure before freezing, measured, which may no longer correspond to the current operating pressure to be monitored. As a result, faulty pressure signals are processed by the pressure sensor, a reliable pressure monitoring of the fuel cell system is no longer guaranteed.

Die Entwicklung von Brennstoffzellensystemen hat sich bereits mit der Fehlerdiagnose des Systems unter Zuhilfenahme von Drucksensoren befasst, siehe beispielsweise die Veröffentlichung DE 103 92 753 T5 , bei welcher vorgeschlagen wird, durch Drucksensoren ausgefallene Pumpen oder Regler zu diagnostizieren, wobei gegenüber dem zuvor bekannten Stand der Technik, welcher mit Temperatursensoren arbeitete, die Reaktionszeit deutlich vermindert werden konnte. Auch war das Problem bekannt, dass solche Drucksensoren generell ausfallen konnten, ohne dass man sich jedoch der Einfrierproblematik bewusst war, siehe beispielsweise die Offenlegungsschrift JP 2004-259670 . Bei dieser Offenlegungsschrift wird ausgehend von dem redundanten Vorsehen aller Drucksensoren in einem Brennstoffzellensystem vorgeschlagen, die Gesamtanzahl der notwendigen Drucksensoren dadurch zu reduzieren, dass mit einem zusätzlichen Differenzdrucksensor zwei bestehende Absolutdrucksensoren hinsichtlich ihrer Funktionsfähigkeit überwacht werden. Jedoch ist auch hier der gerätetechnische Aufwand aufgrund der zusätzlichen Differenzdrucksensoren immer noch sehr hoch, was eine kostenintensive Herstellung und Wartung des Brennstoffzellensystems bedingt. Ferner ist die Ausfallwahrscheinlichkeit auch der zusätzlichen Differenzdrucksensoren hoch.The development of fuel cell systems has already dealt with the fault diagnosis of the system with the aid of pressure sensors, see for example the publication DE 103 92 753 T5 in which it is proposed to diagnose precipitated by pressure sensors pumps or regulators, with respect to the previously known prior art, which worked with temperature sensors, the reaction time could be significantly reduced. The problem was also known that such pressure sensors could generally fail, without, however, was aware of the Einfrierproblematik, see, for example, the published patent application JP 2004-259670 , In this publication, starting from the redundant provision of all pressure sensors in a fuel cell system, it is proposed to reduce the total number of necessary pressure sensors by monitoring two existing absolute pressure sensors with regard to their functionality with an additional differential pressure sensor. However, even here the equipment expense due to the additional differential pressure sensors is still very high, which requires costly production and maintenance of the fuel cell system. Furthermore, the probability of failure of the additional differential pressure sensors is high.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das oben genannte Problem einer unerkannten fehlerhaften Erfassung des Druckes mit Drucksensoren in Brennstoffzellensystemen, insbesondere aufgrund eines Einfrierens der Drucksensoren oder der Leitungen, über welche die Drucksensoren mit der Position des zu erfassenden Drucks verbunden sind, zu lösen und dabei möglichst ohne zusätzliche Komponenten in einem vorhandenen Brennstoffzellensystem auszukommen. Ferner soll sich die Überwachung durch eine hohe Zuverlässigkeit auszeichnen.Of the Invention is based on the object, the above problem an unrecognized erroneous detection of pressure with pressure sensors in Fuel cell systems, in particular due to freezing the pressure sensors or the lines through which the pressure sensors connected to the position of the pressure to be detected, to solve and as possible without additional Components in an existing fuel cell system. Furthermore, the monitoring should through a high reliability distinguished.

Die erfindungsgemäße Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst. Die abhängigen Ansprüche beschreiben vorteilhafte und besonders zweckmäßige Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens.The inventive task is achieved by a method having the features of claim 1. The dependent claims describe advantageous and particularly expedient embodiments of the method according to the invention.

Durch das erfindungsgemäße Verfahren kann die Funktionsfähigkeit von einem oder mehreren Drucksensoren in einem Brennstoffzellensystem sicher überwacht werden, und bei Bedarf können geeignete Gegenmaßnahmen eingeleitet werden. Beispielhaft sollen nur einige mögliche Gegenmaßnahmen hier aufgezählt werden. So kann bei dem erfassten Ausfall eines Drucksensors beziehungsweise bei Erfassung eines eingefrorenen Drucksensors beim Start des Brennstoffzellensystems der Start abgebrochen werden oder die maximale Leistungsabgabe der Brennstoffzelle auf einen Wert unterhalb der Regelleistung begrenzt werden. Alternativ oder zusätzlich kann die Brennstoffzelle in einem gesteuerten Betrieb betrieben werden, anstelle des geregelten Betriebes, wie er sonst üblich ist. Schließlich kann die Regelung durch Zuhilfenahme weiterer vorhandener Sensoren angepasst werden.By virtue of the method according to the invention, the functionality of one or more pressure sensors in a fuel cell system can be reliably monitored and, if necessary, suitable countermeasures can be initiated. By way of example, only a few possible Gegenmaßnah men are listed here. Thus, in the detected failure of a pressure sensor or upon detection of a frozen pressure sensor at the start of the fuel cell system, the start can be stopped or the maximum power output of the fuel cell can be limited to a value below the control power. Alternatively or additionally, the fuel cell can be operated in a controlled mode, instead of the regulated operation, as is usual. Finally, the control can be adjusted by using other existing sensors.

Im einzelnen umfasst das erfindungsgemäße Verfahren zur Überwachung der Funktionsfähigkeit eines Drucksensors in einem Brennstoffzellensystem, insbesondere beim Kaltstart eines durch das Brennstoffzellensystem angetriebenen Kraftfahrzeugs, wobei das Brennstoffzellensystem wenigstens eine Brennstoffzelle (oder einen Brennstoffzellenstapel/Brennstoffzellenstack) mit daran angeschlossenen Leitungen für Brennstoff und Oxidationsmittel (in der Regel Wasserstoff und Luft) umfasst, und der Drucksensor zur Drucküberwachung des Druckes an einer vorgegebenen Position in den Leitungen und/oder der Brennstoffzelle vorgesehen ist und in Abhängigkeit des von ihm erfassten Druckes ein Messsignal erzeugt, die Verfahrensschritte, dass der Druck an der vorgegebenen Position gezielt variiert wird, dass das während der Variation erzeugte Messsignal des Drucksensors mit einem – in der Regel zuvor durch Messung oder rechnerisch erzeugten oder anders vorgegebenen – Vorgabewert verglichen wird, und dass das Vergleichsergebnis zur Bewertung der Funktionsfähigkeit des Drucksensors ausgewertet wird.in the individual comprises the inventive method for monitoring the functionality a pressure sensor in a fuel cell system, in particular during cold start of a driven by the fuel cell system Motor vehicle, wherein the fuel cell system at least one Fuel cell (or a fuel cell stack / fuel cell stack) with connected fuel and oxidant lines (usually hydrogen and air), and the pressure sensor for pressure monitoring of the Pressure at a predetermined position in the lines and / or the fuel cell is provided and depending on the detected by him Pressure produces a measurement signal, the process steps that the Pressure at the specified position is deliberately varied, that the while the variation generated measurement signal of the pressure sensor with a - usually previously compared by measurement or computationally generated or otherwise specified - default value and that the comparison result is to evaluate the operability the pressure sensor is evaluated.

Gemäß einer Ausführungsform wird der Druck an der vorgegebenen Position durch Einschalten oder durch eine gezielte Leistungserhöhung eines Gebläses, eines Kompressors oder einer Pumpe gezielt variiert, beispielsweise erhöht, wobei das Gebläse, der Kompressor oder die Pumpe dafür vorgesehen ist, das Oxidationsmittel und/oder den Brennstoff im Brennstoffzellensystem beziehungsweise in das Brennstoffzellensystem zu fördern oder in einem Kreislauf umzuwälzen.According to one embodiment is the pressure at the specified position by switching on or through a targeted increase in performance a blower, a compressor or a pump selectively varies, for example elevated, where the blower, the compressor or pump is provided for the oxidizing agent and / or the fuel in the fuel cell system, respectively to promote in the fuel cell system or in a cycle to circulate.

Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung kann die Funktionsfähigkeit einer Vielzahl von Drucksensoren, beispielsweise von zwei, drei, vier oder mehr Drucksensoren, überwacht werden. Diese Drucksensoren sind zur Drucküberwachung des Druckes beziehungsweise von Drücken an der entsprechenden Anzahl von vorgegebenen Positionen in den Leitungen und/oder der Brennstoffzelle des Brennstoffzellensystems vorgesehen und erzeugen jeweils in Abhängigkeit der von ihnen erfassten Drücke entsprechende Messsignale. Erfindungsgemäß kann der Druck an jeder einzelnen vorgegebenen Position verschiedener Drucksensoren unabhängig voneinander oder abhängig voneinander gezielt variiert werden, und die während der Variation erzeugten Messsignale können mit Vergleichsergebnissen zur Bewertung der Funktionsfähigkeit der Drucksensoren unabhängig voneinander oder abhängig voneinander ausgewertet werden.According to one advantageous embodiment of the Invention can be functional a plurality of pressure sensors, for example two, three, four or more pressure sensors, monitored become. These pressure sensors are for pressure monitoring of the pressure or from pressing on the corresponding number of predetermined positions in the lines and / or the fuel cell of the fuel cell system and generate depending on each the pressures they capture corresponding measuring signals. According to the invention, the pressure on each individual predetermined position of different pressure sensors independently or dependent be selectively varied from one another, and generated during the variation Measuring signals can with comparison results for evaluating the functionality the pressure sensors independently from each other or dependent be evaluated from each other.

Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausführungsform wird durch Betätigen eines einzigen Aggregats oder von einzelnen Aggregaten einer Vielzahl von Aggregaten der Druck an den verschiedenen vorgegebenen Positionen von zwei oder mehr Drucksensoren gezielt variiert. Auf diese Maßnahme wird in der folgenden Figurenbeschreibung noch näher eingegangen werden.According to one particularly advantageous embodiment is activated by pressing a single aggregate or individual aggregates of a plurality of aggregates the pressure at the various predetermined positions selectively varies by two or more pressure sensors. On this measure is will be discussed in more detail in the following description of the figures.

Zusätzlich oder alternativ zum Einschalten beziehungsweise zur Leistungserhöhung einer Pumpe, eines Kompressors oder eines Gebläses kann der Druck an der vorgegebenen Position oder den vorgegebenen Positionen auch durch Öffnen oder Schließen eines Regelorgans oder Absperrorgans gezielt variiert werden. Das Regelorgan oder das Absperrorgan ist im Brennstoffzellensystem vorgesehen, um Brennstoff oder Oxidationsmittel in die Leitungen und/oder die Brennstoffzelle einzuleiten oder aus den Leitungen und/oder der Brennstoffzelle auszuleiten.Additionally or alternatively to switching on or to increase the power of a Pump, a compressor or a blower, the pressure at the given Position or the specified positions also by opening or closing a Regulatory organ or obturator can be selectively varied. The regulatory organ or the obturator is provided in the fuel cell system, to fuel or oxidizer in the lines and / or the To initiate fuel cell or from the lines and / or the Disconnect fuel cell.

Der Vorgabewert, mit welchem das von dem Drucksensor während der gezielten Variation des Druckes an der vorgegebenen Position erzeugte Messsignal verglichen wird, kann auch in Form eines Druckverlaufes über der Zeit vorgegeben werden. Beispielsweise kann ein bei einer ordnungsgemäßen Funktionsfähigkeit zu erwartender Druckanstieg an der vorgegebenen Position oder Druckabfall an der vorgegebenen Position vorgegeben werden. Auch die Geschwindigkeit des Druckanstiegs beziehungsweise des Druckabfalls kann als Vorgabewert zusätzlich oder alternativ herangezogen werden.Of the Default value used by the pressure sensor during the Targeted variation of the pressure generated at the predetermined position measurement signal can also be compared in the form of a pressure curve over the Time can be specified. For example, one at a proper functioning expected pressure rise at the specified position or pressure drop be specified at the predetermined position. Also the speed the pressure rise or the pressure drop can be used as a default value additionally or alternatively be used.

Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausführungsform wird der Druckverlauf, welcher als Vorgabewert dient, zeitlich vor der Überwachung der Funktionsfähigkeit mit dem vorhandenen Brennstoffzellensystem aufgezeichnet. So kann beispielsweise das Brennstoffzellensystem unter vorgegebenen Randbedingungen, bei welchen man mit Sicherheit davon ausgehen kann, dass der zu überwachende Drucksensor ordnungsgemäß arbeitet oder entsprechende Tests überstanden hat, betrieben werden, und der von dem Drucksensor erfasste Druckverlauf, welcher einer ordnungsgemäßen Funktion des Drucksensors entspricht, kann als Solldruckkurve aufgezeichnet werden, während das Aggregat, welches später bei der Überwachung der Funktionsfähigkeit des Drucksensors betätigt wird, entsprechend der späteren Betätigung betätigt wird. Die Sollwertkurve wird sozusagen bei einer Kalibrierung des Brennstoffzellensystems aufgezeichnet. Besonders vorteilhaft erfolgt die Aufzeichnung bei einer Erstinbetriebnahme des Brennstoffzellensystems, bevor dies an den Kunden ausgeliefert wird. Selbstverständlich ist es auch möglich, beispielsweise im Rahmen von Serviceintervallen, erneute Kalibrierungen beziehungsweise Aufzeichnungen von Sollwertkurven insbesondere durch Fachpersonal oder automatisch vornehmen zu lassen.According to a particularly advantageous embodiment, the pressure curve, which serves as the default value, is recorded in time before the monitoring of the functionality with the existing fuel cell system. Thus, for example, the fuel cell system under predetermined boundary conditions, in which one can safely assume that the pressure sensor to be monitored is working properly or has passed appropriate tests, operated, and the pressure detected by the pressure sensor pressure curve, which corresponds to a proper function of the pressure sensor, can be recorded as a target pressure curve, while the unit, which is later actuated in the monitoring of the functioning of the pressure sensor, is actuated according to the later operation. The setpoint curve is recorded as it were during a calibration of the fuel cell system. Particularly advantageously, the recording takes place during initial commissioning of the fuel cell system, before it is delivered to the customer. Of course, it is also possible, for example within the scope of service intervals, to have renewed calibrations or recordings of desired value curves, in particular by qualified personnel or automatically.

Die Überwachung der Funktionsfähigkeit von einem oder mehreren Drucksensoren gemäß der Erfindung kann vorteilhaft ausschließlich durch Betätigung von Aggregaten oder Komponenten im Brennstoffzellensystem erfolgen, welche ohnehin zum Betrieb beziehungsweise zur Steuerung des Betriebs der Brennstoffzelle vorgesehen sind beziehungsweise notwendig sind. Somit kommt das erfindungsgemäße Verfahren gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform ohne zusätzliche Hardware alleine durch Implementierung des Verfahrens in eine vorgesehene Steuerung beziehungsweise in Form von Software aus.The supervision the functionality of one or more pressure sensors according to the invention may be advantageous exclusively by operation of aggregates or components in the fuel cell system, which anyway to operate or to control the operation of the Fuel cell are provided or necessary. Thus, the method of the invention according to a advantageous embodiment without additional Hardware alone by implementing the procedure in a planned Control or in the form of software.

Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen erläutert werden. Es zeigen:The Invention will be explained below with reference to embodiments. Show it:

1: zwei Beispiele für eine Blockade eines Drucksensors durch Eis; 1 : two examples of a blockage of a pressure sensor by ice;

2 ein Ausführungsbeispiel eines Brennstoffzellensystems mit drei Drucksensoren, deren Funktionsfähigkeit erfindungsgemäß allein durch Betätigen von vorhandenen Komponenten und Aggregaten überwacht werden kann. 2 an embodiment of a fuel cell system with three pressure sensors whose operability according to the invention can be monitored solely by operating existing components and units.

In der 1 erkennt man jeweils in den Ansichten a und b einen Drucksensor 1 im Querschnitt. Der Drucksensor 1 ist mit seinem – hier ein Außengewinde tragenden – Gehäuse in einen Adapter 13 eingeschraubt. Der Adapter 13 ist außen auf einer Rohrleitung 14 montiert, beispielsweise angeschweißt.In the 1 one recognizes in each case in the views a and b a pressure sensor 1 in cross section. The pressure sensor 1 is with its - here an external thread bearing - housing in an adapter 13 screwed. The adapter 13 is outside on a pipeline 14 mounted, for example, welded.

Gemäß der Darstellung a hat sich durch Gefrierung von Kondenswasser unmittelbar an der Membran beziehungsweise einem Kolben des Drucksensors 1 ein Eisblock 12 gebildet, der eine ordnungsgemäße Druckerfassung verhindert. Bei der in der Ansicht b gezeigten Darstellung blockiert ein Eisblock 12 die Messleitung in dem Drucksensor, welche in der Rohrleitung 14 mündet.According to the illustration a has by freezing of condensation directly to the membrane or a piston of the pressure sensor 1 an ice block 12 formed, which prevents a proper pressure detection. The image shown in view b blocks an ice block 12 the measuring line in the pressure sensor, which is in the pipeline 14 empties.

Die Eisblockade führt dazu, dass der Drucksensor nicht mehr den zu erfassenden Druck in der Rohrleitung 14 ordnungsgemäß ermitteln kann beziehungsweise entsprechende Messsignale, die dem tatsächlichen Druck in der Rohrleitung 14 entsprechen, erzeugt. Eine solche Funktionsstörung soll durch das erfindungsgemäße Verfahren erfasst werden, damit geeignete Sicherheitsmaßnahmen oder Gegenmaßnahmen eingeleitet werden.The ice blockage causes the pressure sensor no longer the pressure to be detected in the pipeline 14 can properly determine or appropriate measurement signals that match the actual pressure in the pipeline 14 correspond, generated. Such a malfunction should be detected by the inventive method, so that appropriate security measures or countermeasures are initiated.

In der 2 erkennt man ein Brennstoffzellensystem mit einer Brennstoffzelle 2, umfassend eine Anode und eine Kathode. In der Regel wird die Brennstoffzelle 2 ein Brennstoffzellenstapel aus einer Vielzahl von hintereinander geschalteten einzelnen Brennstoffzellen sein.In the 2 one recognizes a fuel cell system with a fuel cell 2 comprising an anode and a cathode. As a rule, the fuel cell 2 a fuel cell stack of a plurality of individual fuel cells connected in series.

Sowohl der Druck in der Anode beziehungsweise in den an der Anode angeschlossenen Leitungen als auch in der Kathode beziehungsweise den an der Kathode angeschlossenen Leitungen kann durch vorgesehene Druckregelungen geregelt werden.Either the pressure in the anode or in the connected to the anode Cables and in the cathode or at the cathode connected lines can by intended pressure controls be managed.

Der Drucksensor 1 auf der Anodenseite erfasst den Druck in der Anode, welcher als Eingangsgröße für das dargestellte Druckregelventil 6 dient. Beim Betrieb der Brennstoffzelle 2 leitet das Druckregelventil 6 in Abhängigkeit des von dem Drucksensors 1 erfassten Druckes mehr oder weniger Brennstoff (H2) in die Brennstoffzelle.The pressure sensor 1 on the anode side detects the pressure in the anode, which as an input to the illustrated pressure control valve 6 serves. During operation of the fuel cell 2 directs the pressure control valve 6 depending on the pressure sensor 1 detected pressure more or less fuel (H 2 ) in the fuel cell.

Im Fall einer Funktionsstörung des Drucksensors 1, beispielsweise bei einer Blockade durch gefrorenes Kondenswasser, würde – ohne Gegenmaßnahmen – das Druckregelventil 6 immer mehr Brennstoff zudosieren, um den vorgegebenen Drucksollwert in der Anode einzustellen. Da durch den Drucksensor 1 ein falscher Messwert erzeugt wird, stiege der Anodendruck unkontrolliert an.In case of malfunction of the pressure sensor 1 For example, in the event of a blockade due to frozen condensed water, the pressure regulating valve would - without countermeasures 6 Add more and more fuel to set the preset pressure setpoint in the anode. Because of the pressure sensor 1 If a wrong measured value is generated, the anode pressure rises unchecked.

Das Problem der Blockade des Drucksensors 1 kann erfindungsgemäß während des Starts des Brennstoffzellensystems erfasst werden. Gemäß einer ersten Ausführungsform wird, insbesondere beim Start des Brennstoffzellensystems, das Gebläse 3, welches ein Rezirkulationsgebläse ist, eingeschaltet (oder bei bereits eingeschaltetem Rezirkulationsgebläse, beispielsweise in anderen Betriebszuständen als beim Start, könnte dessen Leistung auch gezielt erhöht werden). Die Stellung des Druckregelventils 6 kann dabei beispielsweise konstant gehalten werden. Dies führt zu einer gezielten Druckerhöhung vor der Brennstoffzelle 2, welche bei ordnungsgemäßer Funktion des Drucksensors 1 von diesem erfasst werden müsste. Wird die Druckerhöhung mittels des Drucksensors 1 nicht erfasst, so liegt eine Blockade des Drucksensors 1 (oder eine andere Funktionsstörung) vor und eine geeignete Gegenmaßnahme kann eingeleitet werden.The problem of blockage of the pressure sensor 1 can be detected according to the invention during the start of the fuel cell system. According to a first embodiment, in particular at the start of the fuel cell system, the fan 3 , which is a recirculation fan, turned on (or with already activated recirculation fan, for example, in other operating states than at start, its performance could also be increased selectively). The position of the pressure control valve 6 can be kept constant, for example. This leads to a targeted increase in pressure in front of the fuel cell 2 , which with proper function of the pressure sensor 1 should be covered by this. If the pressure increase by means of the pressure sensor 1 not detected, there is a blockage of the pressure sensor 1 (or another malfunction) and a suitable countermeasure can be taken.

Durch Einschalten des Gebläses 3, mittels welchem Brennstoff beziehungsweise Reaktionsprodukte aus einer Ableitung der Brennstoffzelle 2 in einem Anodenkreislauf 4 einer Zuleitung für Brennstoff in die Brennstoffzelle 2 rückgeführt werden kann/können, kann zugleich ein Druckabfall in Strömungsrichtung des Brennstoffes hinter der Brennstoffzelle 2 beziehungsweise der Anode derselben erzeugt werden, der zur Funktionsfähigkeitsprüfung des gezeigten Drucksensors 11 herangezogen werden kann. Der Drucksensor 11 ist ein Differenzdrucksensor, welcher die Druckdifferenz zwischen der Anode beziehungsweise der Anodenseite und der Kathode beziehungsweise der Kathodenseite der Brennstoffzelle 2 erfasst.By switching on the blower 3 , By means of which fuel or reaction products from a derivative of the fuel cell 2 in an anode circuit 4 a supply line for fuel in the fuel cell 2 can be recycled, can at the same time a pressure drop in the flow direction of the fuel behind the fuel cell 2 be As the anode of the same are generated, the functionality of the pressure sensor shown 11 can be used. The pressure sensor 11 is a differential pressure sensor, which is the pressure difference between the anode or the anode side and the cathode or the cathode side of the fuel cell 2 detected.

Eine alternative oder zusätzliche Möglichkeit, die Funktionsfähigkeit des Drucksensors 1 zu überwachen, besteht darin, einen gezielten Druckanstieg in der Leitung, mittels welcher Brennstoff der Anode der Brennstoffzelle 2 zugeführt wird, dadurch zu erzeugen, dass das Druckregelventil 6 geöffnet (oder weiter geöffnet) wird. Insbesondere wird das Druckregelventil 6 für eine vorgegebene (kurze) Zeitspanne geöffnet. Durch eine zuvor erfolgte Kalibrierung oder Berechnung ist der Druckanstieg in der Leitung, deren Druck mit dem Drucksensor 1 überwacht wird, bekannt. Dieser bekannte Druckanstieg wird als Vorgabewert verwendet und mit dem beim öffnen des Druckregelventils 6 tatsächlich durch den Drucksensor 1 erfassten Druckwert verglichen. Dabei ist es selbstverständlich möglich, nicht nur unmittelbar zwei Druckwerte miteinander zu vergleichen, sondern ein Messsignal in jeder gewünschten Einheit, das unmittelbar oder mittelbar vom Drucksensor 1 erzeugt wird, kann mit einem entsprechenden Vorgabewert verglichen werden.An alternative or additional option, the functionality of the pressure sensor 1 to monitor, is a targeted increase in pressure in the line, by means of which fuel the anode of the fuel cell 2 is supplied, thereby generating that the pressure regulating valve 6 opened (or opened further). In particular, the pressure regulating valve 6 opened for a given (short) period of time. By a previous calibration or calculation, the pressure rise in the line, its pressure with the pressure sensor 1 is monitored, known. This known pressure increase is used as the default value and with the opening of the pressure control valve 6 actually through the pressure sensor 1 recorded pressure value compared. It is of course possible to compare not only directly two pressure values with each other, but a measurement signal in any desired unit, directly or indirectly from the pressure sensor 1 is generated, can be compared with a corresponding default value.

Das gezielte und in der Regel zeitlich begrenzte öffnen des Druckregelventils 6 kann auch zur Prüfung der Funktionsfähigkeit des Drucksensors 11 herangezogen werden.The targeted and usually temporary open the pressure control valve 6 can also be used to test the functionality of the pressure sensor 11 be used.

Die Druckregelung in der Kathode beziehungsweise auf der Kathodenseite der Brennstoffzelle 2 erfolgt mit Hilfe des Drucksensors 21. Der Drucksensor 21 erfasst den Kathodendruck, wobei der erfasste Kathodendruck als Eingangsgröße zur Einstellung des Öffnungsquerschnittes in der dargestellten Drosselklappe 7 in der Kathodenabluft dient. Eine Blockade beziehungsweise allgemein eine Fehlfunktion des Drucksensors 21 würde – ohne Gegenmaßnahmen – zu einer zu niedrigen Druckmessung führen, so dass die Drosselklappe 7 geschlossen wird, um den Druck in der Kathode beziehungsweise auf der Kathodenseite weiter anzuheben. Dabei kann es zu einer unkontrollierten Anhebung des Druckes kommen.The pressure control in the cathode or on the cathode side of the fuel cell 2 done with the help of the pressure sensor 21 , The pressure sensor 21 detects the cathode pressure, wherein the detected cathode pressure as an input to adjust the opening cross-section in the illustrated throttle 7 used in the cathode exhaust air. A blockage or generally a malfunction of the pressure sensor 21 would lead - without countermeasures - to a low pressure measurement, so that the throttle 7 is closed to further increase the pressure in the cathode or on the cathode side. This can lead to an uncontrolled increase in pressure.

Das Problem der Blockade (oder einer anderen Funktionsstörung) kann – beispielsweise wiederum während des Starts des Brennstoffzellensystems – gemäß einer Ausführungsform der Erfindung dadurch erfasst werden, dass der Kompressor 5, mit welchem komprimierte Luft der Kathode der Brennstoffzelle 2 zugeführt wird, mit einer vorgegebenen, insbesondere angehobenen, Leistung, beispielsweise durch Erhöhen seiner Drehzahl, betrieben wird. Durch Erhöhen der Leistung beziehungsweise der Drehzahl des Kompressors 5 wird gezielt ein Druckanstieg in der Leitung zwischen dem Kompressor 5 und der Kathode der Brennstoffzelle 2 erzeugt, welcher bei ordnungsgemäßer Funktion des Drucksensors 21 durch den Drucksensor 21 erfasst wird. Das tatsächlich von dem Drucksensor 21 erzeugte Messsignal wird mit einem vorgegebenen Wert, insbesondere Verlauf, verglichen. Der Verlaufswert kann beispielsweise wiederum durch zuvor erzeugte Kalibrierungen beziehungsweise Messungen oder rechnerisch erzeugt werden. Aus dem Vergleich kann ermittelt werden, ob der Drucksensor 21 wie gewünscht funktioniert.The problem of blockage (or other malfunction) may be detected, for example, again during the start of the fuel cell system, according to an embodiment of the invention in that the compressor 5 with which compressed air the cathode of the fuel cell 2 is supplied with a predetermined, in particular raised, power, for example, by increasing its speed, is operated. By increasing the power or speed of the compressor 5 is specifically a pressure increase in the line between the compressor 5 and the cathode of the fuel cell 2 generated, which in proper operation of the pressure sensor 21 through the pressure sensor 21 is detected. That's actually from the pressure sensor 21 generated measuring signal is compared with a predetermined value, in particular course. The historical value can in turn be generated by previously generated calibrations or measurements or mathematically. From the comparison can be determined whether the pressure sensor 21 works as desired.

Durch Erhöhen der Leistung beziehungsweise der Drehzahl oder durch Einstellen einer vorgegebenen Leistung oder Drehzahl des Kompressors 5 kann auch die Funktionsfähigkeit des Drucksensors 11 ermittelt werden, indem auch der von dem Drucksensor 11 erfasste Wert mit einem vorgegebenen Wert beziehungsweise einem vorgegebenen Verlauf verglichen wird.By increasing the power or speed or by setting a given power or speed of the compressor 5 may also affect the functionality of the pressure sensor 11 also be determined by the pressure sensor 11 detected value is compared with a predetermined value or a predetermined course.

Anstelle der Einstellung oder Erhöhung der Leistung beziehungsweise der Drehzahl des Kompressors 5 kann die Funktionsfähigkeit des Drucksensors 21 und/oder des Drucksensors 11 alternativ oder zusätzlich auch durch gezieltes Schließen der Drosselklappe 7 in der Kathodenabluft und durch Vergleich der dann gemessenen Druckwerte mit einem Vorgabewert beziehungsweise einem Vorgabeverlauf ermittelt werden.Instead of adjusting or increasing the power or the speed of the compressor 5 can the functioning of the pressure sensor 21 and / or the pressure sensor 11 alternatively or additionally, by deliberately closing the throttle 7 be determined in the cathode exhaust air and by comparing the then measured pressure values with a default value or a default course.

Claims (11)

Verfahren zur Überwachung der Funktionsfähigkeit eines Drucksensors (1, 11, 21) in einem Brennstoffzellensystem, insbesondere beim Kaltstart eines durch das Brennstoffzellensystem angetriebenen Kraftfahrzeugs, wobei das Brennstoffzellensystem wenigstens eine Brennstoffzelle (2) mit daran angeschlossenen Leitungen für Brennstoff und Oxidationsmittel umfasst, und der Drucksensor (1, 11, 21) zur Drucküberwachung des Druckes an einer vorgegebenen Position in den Leitungen und/oder der Brennstoffzelle (2) vorgesehen ist und in Abhängigkeit des von ihm erfassten Druckes ein Messsignal erzeugt, dadurch gekennzeichnet, dass der Druck an der vorgegebenen Position gezielt variiert wird, das während der Variation erzeugte Messsignal mit einem Vorgabewert verglichen wird, und das Vergleichsergebnis zur Bewertung der Funktionsfähigkeit des Drucksensors (1, 11, 21) ausgewertet wird.Method for monitoring the functioning of a pressure sensor ( 1 . 11 . 21 ) in a fuel cell system, in particular during the cold start of a motor vehicle driven by the fuel cell system, wherein the fuel cell system comprises at least one fuel cell ( 2 ) with fuel and oxidant lines connected thereto, and the pressure sensor ( 1 . 11 . 21 ) for pressure monitoring of the pressure at a predetermined position in the lines and / or the fuel cell ( 2 ) is provided and generates a measurement signal depending on the pressure detected by it, characterized in that the pressure at the predetermined position is selectively varied, the measurement signal generated during the variation is compared with a default value, and the comparison result for evaluating the functionality of the pressure sensor ( 1 . 11 . 21 ) is evaluated. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Druck an der vorgegebenen Position durch Einschalten oder eine gezielte Leistungserhöhung eines Gebläses (3), eines Kompressors (5) und/oder einer Pumpe, welches/welcher/welche den Brennstoff und/oder das Oxidationsmittel in das oder in dem Brennstoffzellensystem fördert, insbesondere in einem Kreislauf umwälzt, gezielt variiert wird, insbesondere erhöht wird.A method according to claim 1, characterized in that the pressure at the predetermined position by switching on or a targeted increase in power of a blower ( 3 ), a compres sors ( 5 ) and / or a pump which / which / which promotes the fuel and / or the oxidizing agent in or in the fuel cell system, in particular circulated in a circuit, is specifically varied, in particular increased. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Funktionsfähigkeit von zwei oder mehr Drucksensoren (1, 11, 21), welche zur Drucküberwachung des Druckes an entsprechend zwei oder mehr vorgegebenen Positionen in den Leitungen und/oder der Brennstoffzelle (2) vorgesehen sind und in Abhängigkeit der von ihnen erfassten Drücke eine entsprechende Anzahl von Messsignalen erzeugen, überwacht wird, indem der Druck an den zwei oder mehr vorgegebenen Positionen gezielt variiert wird, die während der Variation erzeugten Messsignale mit Vorgabewerten verglichen werden, und die Vergleichsergebnisse zur Bewertung der Funktionsfähigkeit der Drucksensoren (1, 11, 21) ausgewertet werden.Method according to one of claims 1 or 2, characterized in that the operability of two or more pressure sensors ( 1 . 11 . 21 ), which for pressure monitoring of the pressure at corresponding two or more predetermined positions in the lines and / or the fuel cell ( 2 are provided and generate a corresponding number of measurement signals depending on the pressures detected by them, by selectively varying the pressure at the two or more predetermined positions, comparing the measurement signals generated during the variation with default values, and the comparison results to Evaluation of the functionality of the pressure sensors ( 1 . 11 . 21 ) be evaluated. Verfahren gemäß den Ansprüchen 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine erste vorgegebene Position, deren Druck von einem ersten Drucksensor (1) überwacht wird, in Strömungsrichtung gesehen hinter dem Gebläse (3), dem Kompressor (5) oder der Pumpe positioniert ist, und eine zweite vorgegebene Position, deren Druck von einem zweiten Drucksensor (11) überwacht wird, in Strömungsrichtung gesehen vor dem Gebläse (3), dem Kompressor (5) oder der Pumpe positioniert ist, und dass durch Einschalten des Gebläses (3), des Kompressors (5) oder der Pumpe der Druck an der ersten vorgegebenen Position gezielt erhöht und an der zweiten vorgegebenen Position gezielt erniedrigt wird.Method according to claims 2 or 3, characterized in that a first predetermined position, the pressure of which is measured by a first pressure sensor ( 1 ) is monitored, seen in the flow direction behind the blower ( 3 ), the compressor ( 5 ) or the pump is positioned, and a second predetermined position, the pressure of a second pressure sensor ( 11 ), viewed in the flow direction in front of the blower ( 3 ), the compressor ( 5 ) or the pump, and that by switching on the blower ( 3 ), the compressor ( 5 ) or the pump, the pressure at the first predetermined position increases selectively and is selectively lowered at the second predetermined position. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass an der Brennstoffzelle (2) ein Anodenkreislauf (4) vorgesehen ist, über welchen eine Zuleitung für Brennstoff in die Brennstoffzelle (2) mit einer Ableitung für Brennstoff und/oder Reaktionsprodukte der Anode aus der Brennstoffzelle (2) verbunden ist, und die gezielte Variation des Druckes durch Einschalten oder eine gezielte Leistungserhöhung eines Gebläses (3) in dem Anodenkreislauf (4), das zum Rückführen von Brennstoff aus der Ableitung in die Zuleitung vorgesehen ist, bewirkt wird.Method according to one of claims 2 to 4, characterized in that on the fuel cell ( 2 ) an anode circuit ( 4 ) is provided, via which a supply line for fuel in the fuel cell ( 2 ) with a discharge for fuel and / or reaction products of the anode from the fuel cell ( 2 ), and the targeted variation of the pressure by switching on or a targeted increase in output of a blower ( 3 ) in the anode circuit ( 4 ), which is provided for returning fuel from the discharge into the supply line, is effected. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Druck an der vorgegebenen Position durch Öffnen oder Schließen eines Regelorgans oder Absperrorgans, insbesondere vorübergehend über eine vorgegebene Zeitspanne, gezielt variiert wird, wobei über das Regelorgan oder Absperrorgan Brennstoff oder Oxidationsmittel in die Leitungen und/oder die Brennstoffzelle (2) eingeleitet oder aus den Leitungen und/oder der Brennstoffzelle (2) ausgeleitet wird.Method according to one of claims 1 to 5, characterized in that the pressure at the predetermined position by opening or closing a control element or obturator, in particular temporarily over a predetermined period of time, is selectively varied, via the control element or obturator fuel or oxidant in the Lines and / or the fuel cell ( 2 ) or from the lines and / or the fuel cell ( 2 ) is discharged. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorgabewert in Form eines Druckverlaufes, insbesondere Druckanstiegs oder Druckabfalls, über der Zeit vorgegeben wird.Method according to one the claims 1 to 6, characterized in that the default value in the form of a Pressure curve, in particular pressure increase or pressure drop over the Time is given. Verfahren gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckverlauf vor der Überwachung der Funktionsfähigkeit des Drucksensors (1) als Sollwertkurve bei einer Kalibrierung des Brennstoffzellensystems aufgezeichnet wird, insbesondere bei einer Erstinbetriebnahme.A method according to claim 7, characterized in that the pressure curve before monitoring the functioning of the pressure sensor ( 1 ) is recorded as a setpoint curve in a calibration of the fuel cell system, in particular at a first commissioning. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Druck durch Öffnen, insbesondere vorübergehendes Öffnen für eine vorgegebene Zeitspanne, eines Drucksteuerventils (6), über welches einer Anode der Brennstoffzelle (2) Brennstoff zugeführt wird und der Druck in der Anode geregelt wird, gezielt variiert wird.Method according to one of claims 6 to 8, characterized in that the pressure by opening, in particular temporary opening for a predetermined period of time, a pressure control valve ( 6 ), via which an anode of the fuel cell ( 2 ) Fuel is supplied and the pressure in the anode is controlled, is selectively varied. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Druck durch Erhöhen der Drehzahl eines Kompressors (5), über welchen einer Kathode der Brennstoffzelle (2) Oxidationsmittel zugeführt wird und der Druck in der Kathode insbesondere geregelt wird, gezielt variiert wird.Method according to one of claims 1 to 9, characterized in that the pressure by increasing the speed of a compressor ( 5 ) over which a cathode of the fuel cell ( 2 ) Is supplied to the oxidizing agent and the pressure in the cathode is regulated in particular, is selectively varied. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Überwachung der Funktionsfähigkeit des oder der Drucksensoren (1, 11, 21) ausschließlich durch Betätigen von zur Steuerung des Betriebs der Brennstoffzellen (2) im Brennstoffzellensystem vorgesehenen, unabhängig von der Überwachung der Funktionsfähigkeit notwendigen Komponenten bewirkt wird.Method according to one of claims 1 to 10, characterized in that the monitoring of the functioning of the pressure sensor or sensors ( 1 . 11 . 21 ) solely by operating to control the operation of the fuel cells ( 2 ) provided in the fuel cell system, regardless of the monitoring of the functionality necessary components is effected.
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