Verfahren und System zur Erkennung einer Leckage innerhalb einer Membran einer Brennstoffzelle

Die vorliegende Erfindung geht aus von einem Verfahren nach Gattung des unabhängigen Verfahrensanspruchs sowie einem System nach Gattung des unabhängigen Systemanspruchs.

Stand der Technik

Häufige Fehlerquellen von Brennstoffzellen betreffen Leckagen innerhalb der zur Trennung der Reaktionsgase verwendeten Membranen. Da das Auftreten solcher Leckagen weder innerhalb der jeweiligen Herstellungsprozesse, noch durch die Anwendung nachfolgender Prüfverfahren ausgeschlossen werden kann, sind Verfahren und Systeme zur Erkennung solcher Leckagen

unverzichtbar. Insbesondere bei der Verwendung von PEM-Brennstoffzellen ist aus sicherheitsrelevanten Gründen eine Detektion größerer Leckagen unerlässlich, um die betreffenden Systeme beim Auftreten derartiger Leckagen schnellstmöglich abschalten - und so mögliche durch Knallgasreaktionen verursachte Explosionen vermeiden zu können. Aus dem Stand der Technik ist zur Erkennung von Leckagen innerhalb der Membran von Brennstoffzellen neben der Methode der Detektion anhand eines Wasserstoffsensors im Abgas, vor allem die Detektion anhand der Überwachung der Zellspannung (CVM = cell voltage monitoring) bekannt. Das letztgenannte Verfahren basiert hierbei auf der Detektion eines Einbruchs der Zellspannung, der durch einen direkten Transport von Wasserstoff durch die Leckage der Membran hindurch hervorgerufen wird. Der Einbruch der Zellspannung resultiert hierbei aus der Tatsache, dass der direkt durch die Membran transportierte Wasserstoffanteil nicht an der Anode zu Protonen oxidiert wird und somit nicht zur Erhöhung des Zellpotentials beiträgt. Offenbarung der Erfindung

Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren mit den Merkmalen des

unabhängigen Verfahrensanspruchs sowie ein System mit den Merkmalen des unabhängigen Systemanspruchs. Weitere Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den jeweiligen Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen System und jeweils umgekehrt, sodass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird bzw. werden kann.

Das erfindungsgemäße Verfahren gemäß dem Hauptanspruch dient

insbesondere der Erkennung einer Leckage innerhalb der Membran einer Brennstoffzelle während des Betriebs eines Kraftfahrzeugs. Hierbei ist der Vorteil des Verfahrens vor allem darin zu sehen, dass eine besonders aussagekräftige Messmethode offenbart wird, die unter Volllastbedingungen durchgeführt werden kann. Eine aussagekräftige Erkennung von Leckagen unter Volllastbedingungen ist hierbei insbesondere problematisch, da die Zellspannung einer Brennstoffzelle aufgrund von Aktivierungsverlusten und ohmschen Verlusten mit steigender Beanspruchung der Zelle sinkt und das Verfahren zur Detektion einer Leckage mittels der Überwachung der Zellspannung gerade auf der Detektion eines Einbruchs der Zellspannung basiert, sodass die zur Detektion notwendigen Spannungsdifferenzen mit steigender Zellbeanspruchung nicht mehr registrierbar sind. Somit kann eine aussagekräftige Messung mittels der genannten Methode gängiger Weise nur in einem Zustand erfolgen, in dem die betreffende Zelle kaum oder gar nicht beansprucht wird und folglich kaum oder gar kein Strom von der Brennstoffzelle bereitgestellt bzw. abgegriffen wird. Dies ist allerdings insbesondere nachteilig bei dem Einsatz von Brennstoffzellen in mobilen

Systemen, in denen die dauerhafte Versorgung der Systeme gewährleistet sein muss.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Erkennung einer Leckage innerhalb einer Membran einer Brennstoffzelle kann hierbei insbesondere in einem

Brennstoffzellenfahrzeug, wie bspw. einem Kraftfahrzeug, einem Kran oder einem Gabelstapler zum Einsatz kommen. Unter einer Leckage wird im Rahmen der Erfindung dabei eine Ausnehmung, insbesondere eine Öffnung bzw. ein Loch verstanden, durch das Feststoffe, Flüssigkeiten oder Gase ein- oder austreten können. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird hierbei zunächst eine durch die Brennstoffzelle bereitgestellte Leistung ausgehend von einer

Ausgangsleistung auf einen Minimalwert reduziert. Der Minimalwert, der von der Brennstoffzelle bereitgestellten Leistung ist im Idealfall ein Wert von 0 Watt, d.h. der Wert, der messbar ist, wenn gar keine Leistung von der Brennstoffzelle bereitgestellt wird. Jedoch ist es ebenso möglich, dass der Minimalwert höher ist, bspw. mehrere Kilowatt oder dergleichen. Eine Reduzierung der Leistung auf den Minimalwert kann hierbei stufenweise oder auch stufenlos erfolgen.

Nach einer Reduzierung der durch die Brennstoffzelle bereitgestellten Leistung auf einen Minimalwert erfolgt erfindungsgemäß ein Ermitteln von Messwerten der aktuellen Zellspannung der Brennstoffzelle während der Bereitstellung der reduzierten Leistung auf den Minimalwert durch die Brennstoffzelle. Die

Ermittlung der Messwerte kann hierbei direkt oder indirekt erfolgen. Bei einer direkten Ermittlung kann bspw. ein zur Erkennung einer Leckage innerhalb einer Membran einer Brennstoffzelle relevanter Wert direkt gemessen werden, wohingegen bei einer indirekten Ermittlung ein bereits gemessener Wert lediglich empfangen wird. Bei den Messwerten handelt es sich insbesondere um

Messwerte der aktuellen Zellspannung der Brennstoffzelle.

Nach der Ermittlung von Messwerten der aktuellen Zellspannung der

Brennstoffzelle erfolgt im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens ein Bewerten eines Zustands der Membran der Brennstoffzelle anhand der ermittelten Messwerte zur Erkennung einer Leckage. Hierbei kann sowohl das Zeitintervall zur Ermittlung der Messwerte, als auch die Rate der

Messwertermittlung bis eine Bewertung anhand der Messwerte erfolgt, vorzugsweise frei und variabel gewählt werden. Für eine besonders

aussagekräftige Bewertung eines Zustands der Membran der Brennstoffzelle erfolgt die Bewertung vorteilhafterweise erst nach der Ermittlung einer gewissen Anzahl von Messwerten, insbesondere nach einer Mittelung und/oder

Gewichtung der Messwerte. Der Zustand, der im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens bewertet wird, betrifft hierbei insbesondere eine aktuelle Leckagegröße innerhalb der Membran einer Brennstoffzelle.

Gemäß dem kennzeichnenden Merkmal des gegenständlichen Verfahrens wird die von der Brennstoffzelle reduzierte Leistung während der Ermittlung der Messwerte der aktuellen Zellspannung in gleicher Höhe durch zumindest eine weitere Energiequelle bereitgestellt. Bei der zumindest einen weiteren

Energiequelle handelt es sich vorzugsweise um eine elektrische, insbesondere eine elektrochemische Energiequelle. Hierbei kann es sich bei der Energiequelle um eine Strom- oder Spannungsquelle, bspw. eine Batterie, einen Kondensator, einen Supercap oder dergleichen handeln. Ebenso kann die von der

Brennstoffzelle reduzierte Leistung auch von mehr als einer, bspw. von zwei oder drei Energiequellen bereitgestellt werden. Im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens ist erkannt worden, dass durch die Kompensation der während der Ermittlung von Messwerten reduzierten Leistung ein sensitives

Erkennungsverfahren selbst im Vollbetrieb möglich ist.

Um im Rahmen eines zuverlässigen Verfahrens sicherstellen zu können, dass vorzugsweise während der gesamten Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens hindurch, die von der Brennstoffzelle reduzierte Leistung auch von der zumindest einen anderen Energiequelle bereitgestellt werden kann, kann erfindungsgemäß vorteilhafterweise vorgesehen sein, dass vor der Reduzierung der bereitgestellten Leistung eine Prüfung hinsichtlich der aktuellen

Durchführbarkeit des Verfahrens erfolgt. Eine derartige Prüfung kann hierbei insbesondere eine Prüfung des aktuellen Ladezustands der zumindest einen weiteren Energiequelle umfassen. Des Weiteren kann die Prüfung vorzugsweise einen Vergleich der aktuell verfügbaren Ladekapazität mit einem prognostizierten Energieverbrauch während der Durchführung des erfindungsgemäßen

Verfahrens umfassen. Der prognostizierte Energieverbrauch kann hierbei bspw. auf der festlegbaren zeitlichen Dauer der Durchführung des Verfahrens basieren, währenddessen die zumindest eine andere Energiequelle, die von der

Brennstoffzelle reduzierte Energieversorgung kompensiert. Zudem können aber auch weitere Daten in die Abschätzung eines prognostizierten

Energieverbrauchs miteinbezogen werden, wie ein aktuelles Streckenprofil, aktuelle Wetterverhältnisse, die aktuelle Verkehrssituation sowie benutzerspezifische Präferenzen, wie eine möglichst schnelle Beförderung oder dergleichen.

Eine besonders einfache Prüfung hinsichtlich der aktuellen Ladekapazität der zumindest einen anderen Energiequelle kann bspw. auch indirekt anhand der jüngsten Einsatzzeiten der zumindest einen anderen Energiequelle erfolgen. So kann die Prüfung bspw. einen Vergleich der Betriebsdauer der Brennstoffzelle unter Volllast mit einem Vergleichswert umfassen. Hierdurch kann auf besonders einfache Weise sichergestellt werden, dass die zumindest eine weitere

Energiequelle während der Betriebsdauer der Brennstoffzelle unter Volllast keine Ladekapazität zur Verfügung gestellt hat und sich deren Ladekapazität während dieser Zeit nicht verringert, sondern höchstens durch Rekuperationsprozesse oder dergleichen noch erhöht hat.

Im Rahmen einer ökonomischen und gleichzeitig sicheren Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann gegenständlich vorgesehen sein, dass die durch die Brennstoffzelle bereitgestellte Leistung während des Verfahrens reduziert und nach der Ermittlung der Messwerte der aktuellen Zellspannung, insbesondere nach und in Abhängigkeit der erfolgten Bewertung, wieder in gleichem Maße erhöht wird, wobei die, durch die Brennstoffzelle reduzierte Leistung durch die zumindest eine weitere Energiequelle bereitgestellt wird und diese von der zumindest einen weiteren Energiequelle bereitgestellte Leistung nach Erhöhung der von der Brennstoffzelle bereitgestellten Leistung

entsprechend um die gleiche Höhe reduziert wird. Eine Kompensation der durch die Brennstoffzelle reduzierten Leistung durch die zumindest eine andere Energiequelle bis zu einem Abschluss einer Bewertung ist hierbei insbesondere sinnvoll, um den Betrieb der Brennstoffzelle im Falle der Detektion einer Leckage bis zur Behebung des Problems nicht wieder aufzunehmen und/oder weitere sicherheitsrelevante Schritte, wie bspw. eine Unterbrechung der Gaszufuhr oder dergleichen einzuleiten. Im Rahmen einer besonders ökonomischen

Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann es hingegen auch sinnvoll sein, die während des Verfahrens reduzierte Leistung bereits nach der Ermittlung der Messwerte der aktuellen Zellspannung wieder durch die

Brennstoffzelle und nicht weiter durch die zumindest eine weitere Energiequelle bereitzustellen. In letzterem Fall muss die zumindest eine weitere Energiequelle die von der Brennstoffzelle reduzierte Leistung nur für eine kürzere Dauer bereitstellen, sodass die Energiequelle kleiner ausgelegt werden kann. Bei dem Einsatz des erfindungsgemäßen Verfahrens in einem Fahrzeug bedeutet dies ein geringeres Gewicht und entsprechend auch einen geringeren Verbrauch des Fahrzeugs.

Da die Zellspannung einer Brennstoffzelle - wie eingangs erwähnt - aufgrund von Aktivierungsverlusten und ohmschen Verlusten, mit steigender Beanspruchung der Zelle sinkt und diese Prozesse dazu führen, dass die zur Detektion einer Leckage innerhalb einer Membran einer Brennstoffzelle notwendigen

Spannungsdifferenzen zwischen einem Leckagezustand und einem Zustand ohne Leckage, mit zunehmender Zellbeanspruchung geringer werden, kann im Rahmen eines möglichst sensitiven Messverfahrens erfindungsgemäß vorteilhafterweise vorgesehen sein, dass die durch die Brennstoffzelle bereitgestellte Leistung vor und/oder während der Ermittlung von Messwerten der aktuellen Zellspannung und insbesondere während und in Abhängigkeit der erfolgten Bewertung auf einen Wert von weniger als 2% der Maximalleistung, vorzugsweise auf einen Wert von weniger als 1% der Maximalleistung, insbesondere auf einen Wert von weniger als 0,1% der Maximalleistung reduziert wird. Je nach Leistung des betreffenden Brennstoffzellensystems kann die durch die Brennstoffzelle bereitgestellte Leistung somit bspw. auf einen Wert von weniger als 2kW, vorzugsweise auf einen Wert von weniger als 1kW,

insbesondere auf Werte von weniger als 0,1 kW reduziert werden. Die im

Hinblick auf die Sensitivität bestmöglichen Messbedingungen, d.h. die

Bedingungen, in denen anhand des erfindungsgemäßen Verfahrens am empfindlichsten detektiert werden kann, liegen vor, wenn gar keine Leistung bereitgestellt wird bzw. die höchste Zellspannung anliegt. Demnach kann im Hinblick auf eine besonders empfindliche Ausführung des gegenständlichen Verfahrens auch vorgesehen sein, dass das Verfahren zumindest tlw. bei Leerlaufspannung der Brennstoffzelle durch geführt wird. Insbesondere kann es im Rahmen einer besonders aussagekräftigen Ausführung des gegenständlichen Verfahrens sinnvoll sein, Messwerte der Zellspannung bei unterschiedlichen Leistungswerten der Brennstoffzelle zu ermitteln und anhand von idealen Kurvenverläufen zu extrapolieren. Somit ist es vorliegend nicht notwendig, die von der Brennstoffzelle bereitgestellte Leistung bis zur Leerlaufspannung zu reduzieren. Statdessen können Messwerte der Zellspannung bei

unterschiedlichen Leistungswerten der Brennstoffzelle ermittelt werden und anhand dieser Werte auf die Zellspannung bei Leerlaufspannung extrapoliert werden. Der auf diese Weise ermittelte Wert der Zellspannung bei

Leerlaufspannung kann dann im Rahmen der erfindungsgemäßen Bewertung bzgl. dem Vorliegen einer Leckage innerhalb der Membran der betreffenden Brennstoffzelle bewertet werden.

Im Rahmen einer besonders aussagekräftigen Messung bzw. Bewertung kann es hierbei insbesondere sinnvoll sein, dass die durch die Brennstoffzelle

bereitgestellte Leistung vor und/oder während der Ermittlung von Messwerten der aktuellen Zellspannung und insbesondere während und in Abhängigkeit der erfolgten Bewertung stufenweise reduziert wird. Mittels einer stufenweisen Reduktion der bereitgestellten Leistung ist insbesondere eine exaktere

Extrapolation der Werte bzw. ein exakterer Vergleich der Kurvenverläufe mit idealen Kurvenverläufen möglich.

Im Hinblick auf eine möglichst ökonomische Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann es ferner sinnvoll sein, die Messperioden möglichst kurz zu bemessen. Durch möglichst kurze Messperioden ist es möglich, die zur

Leistungsbereitstellung vorgesehene zumindest eine weitere Energiequelle möglichst klein, bspw. lediglich zur Bereitstellung von 20 bis 100 kW

auszugestalten. Erfindungsgemäß wird daher vorgeschlagen, dass die Ermittlung von Messwerten innerhalb von weniger als 10 Sekunden, vorzugsweise innerhalb von weniger als 5 Sekunden, insbesondere innerhalb von weniger als 2 Sekunden erfolgt. Durch den Einsatz kleinerer und damit leichterer

Energiequellen weisen die betreffenden Systeme einen deutlich geringeren Verbrauch auf und sind somit auch aus ökologischer Sicht vorteilhaft. Ferner sind entsprechende kleinere Energiequellen platzsparender und dadurch deutlich flexibler anordenbar.

Als Grundlage für die Bewertung eines Zustands hinsichtlich der Erkennung einer Leckage innerhalb der Membran einer Brennstoffzelle kann erfindungsgemäß vorgesehen sein, dass die Bewertung eines derartigen Zustands zumindest einen Vergleich zwischen den gemessenen Werten und Referenzwerten umfasst, wobei die gemessenen Werte vorzugsweise von verschiedenen Sensoren stammen und insbesondere vor einem Vergleich mit Referenzwerten gemittelt und/oder gewichtet werden. Eine Gewichtung kann hierbei

insbesondere hinsichtlich der Aussagekraft der Werte, bspw. im Hinblick auf die Position und/oder die Genauigkeit entsprechender Sensoren erfolgen. Als Referenzwert wird im Rahmen der Erfindung ein variabel festlegbarer Wert angesehen, anhand dessen eine Bewertung eines Zustands hinsichtlich der Erkennung einer Leckage innerhalb der Membran einer Brennstoffzelle erfolgen kann. Im einfachsten Fall stellt der Referenzwert den bei der entsprechend bereitgestellten Systemleistung theoretisch idealerweise zu erwartenden Wert der Zellspannung dar. Allerdings sind die Referenzwerte insbesondere systemabhängig und/oder abhängig von den aktuellen Umgebungsbedingungen, wie der Umgebungstemperatur, des Umgebungsdrucks und dergleichen. So weisen größere Systeme bspw. größere tolerierbare Leckraten auf oder die entsprechend verwendete Sensorik misst abhängig von den

Umgebungsbedingungen variierende Messwerte. Deshalb wird im Rahmen eines besonders aussagekräftigen Verfahrens bezüglich des vorgesehenen Vergleichs mit einem Referenzwert erfindungsgemäß vorgeschlagen, die idealerweise theoretisch erreichbaren Werte der Zellspannung im Hinblick auf das betreffende System und/oder die aktuellen Umgebungsbedingungen entsprechend anzupassen.

Da in Abhängigkeit des erfindungsgemäßen Vergleichs zwischen Messwerten und Referenzwerten ein Zustand bezüglich einer Leckage innerhalb einer Membran einer Brennstoffzelle nicht immer eindeutig beurteilt werden kann, ist es erfindungsgemäß ebenfalls denkbar, in Abhängigkeit der erfolgten Bewertung einen Warnhinweis auszusenden und/oder die Brennstoffzelle in einen

Notbetrieb zu schalten. Hierbei können die Art des Warnhinweises und/oder die Art des Notbetriebs insbesondere abhängig von der Leckagegröße bzw. von der Bewertung sein. So kann die Brennstoffzelle während eines Notbetriebs entweder ausschließlich oder zumindest tlw. über die zumindest eine

Hilfsenergiequelle betrieben werden. Ein solches Anpassen des Betriebs der Brennstoffzelle in einen Notbetrieb kann zudem im Hinblick auf einen

Ladezustand der zumindest einen weiteren Energiequelle erfolgen,

beziehungsweise wahlweise auch an die aktuelle Schadstoffkonzentration der Umgebungsluft angepasst sein, insbesondere wenn als Sauerstoffquelle des betreffenden Brennstoffzellensystems die angesaugte Luft aus der Umgebung verwendet wird.

Um einen zuverlässigen, dauerhaften und ständig optimierten Schutz vor dem Auftreten von Leckagen innerhalb der Membran einer Brennstoffzelle zu gewährleisten, ist erfindungsgemäß vorteilhafterweise vorgesehen, dass die einzelnen Schritte des Verfahrens während des Betriebs einer Brennstoffzelle zyklisch wiederholt werden. Vorzugsweise erfolgen die einzelnen Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens hierbei in kurzen Abständen aufeinander, sodass auch auf kurzfristig auftretende Leckagen reagiert werden kann. Eine zyklische Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens erlaubt darüber hinaus auch die Verwendung einer zumindest einen weiteren Energiequelle geringerer Größe, sofern man voraussetzt, dass die Energiequelle während der Pausen durch Rekuperation oder dergleichen wieder aufgeladen wird.

Ebenfalls Gegenstand der Erfindung ist ein System zur Erkennung einer Leckage innerhalb der Membran einer Brennstoffzelle mit den Merkmalen des

unabhängigen Vorrichtungsanspruchs. Hierbei ist gegenständlich vorgesehen, dass das System zumindest eine Steuereinheit zur Reduzierung der durch eine Brennstoffzelle bereitgestellten Leistung ausgehend von einer Ausgangsleistung auf einen Minimalwert, zumindest eine Messeinheit zur Ermittlung von

Messwerten der aktuellen Zellspannung der Brennstoffzelle während der Bereitstellung der reduzierten Leistung auf den Minimalwert durch die

Brennstoffzelle, zumindest eine Verarbeitungseinheit zur Bewertung eines Zustands der Membran der Brennstoffzelle anhand der ermittelten Messwerte zur Erkennung einer Leckage sowie zumindest eine weitere Energiequelle zur Bereitstellung der während der Ermittlung von Messwerten der aktuellen

Zellspannung reduzierten Leistung in gleicher Höhe aufweist. Damit bringt das erfindungsgemäße System die gleichen Vorteile mit sich, wie sie bereits ausführlich in Bezug auf das erfindungsgemäße Verfahren beschrieben worden sind. Das erfindungsgemäße System kann entweder in ein mobiles System oder in das Brennstoffzellensystem selbst integriert sein. Um eine flexible,

unkomplizierte und effiziente Kommunikation der einzelnen Systemeinheiten zu gewährleisten, können die einzelnen Systemkomponenten vorzugsweise drahtlos auf Server- bzw. Cloud-Basis und/oder via Internet kommunizieren. Für einen energieeffizienten Betrieb kann das System ferner als lernende Einheit gebildet sein und anhand von gesammelten Daten und Erfahrungswerten Parameter verändern und so den Betrieb anpassen.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnungen Ausführungsbeispiele der Erfindung im Einzelnen beschrieben sind. Dabei können die in den Ansprüchen und in der Beschreibung erwähnten Merkmale jeweils einzeln für sich oder in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein.

Es zeigen:

Fig. la eine Schnittansicht einer intakten Brennstoffzelle ohne Leckage,

Fig. lb eine Schnittansicht einer defekten Brennstoffzelle mit einer innerhalb der Membran der Brennstoffzelle angeordneten Leckage,

Fig. 2 die Polarisationskurve einer intakten PEM-Brennstoffzelle und einer defekten PEM-Brennstoffzelle mit einer innerhalb der

Membranangeordneten Leckage,

Fig. 3 die Auftragung des Verlaufs der Zellspannung einer intakten und einer defekten Brennstoffzelle während der Ausführung des

erfindungsgemäßen Verfahrens,

Fig. 4 ein Flussdiagramm zur Darstellung des Ablaufes des

erfindungsgemäßen Verfahrens zur Erkennung einer Leckage innerhalb der Membran einer Brennstoffzelle.

In den Figuren werden für die gleichen technischen Merkmale identische

Bezugszeichen verwendet.

Fig. la zeigt eine Schnittansicht einer intakten Brennstoffzelle 5 ohne Leckage.

In einem Brennstoffzellensystem werden zur Bereitstellung einer größeren Energiemenge eine Vielzahl von Brennstoffzellen 5 in einem

Brennstoffzellenstack zusammengefasst. Der Einfachheit halber ist vorliegend nur eine Brennstoffzelle 5 dargestellt. Die Brennstoffzelle 5 umfasst eine Anode 6 und eine Kathode 8, die durch die Membran 4 voneinander getrennt sind. Sowohl die Anode 6, als auch die Kathode 8 sind elektrisch mit der Membran 4 verbunden. Die Anode 6 wird im Betrieb von dem Anodengas, im vorliegenden Fall Wasserstoff 1, umströmt. Neben Wasserstoff 1 umfasst das an der Anode vorhandene Gas auch einzelne Stickstoffmoleküle 2, die insbesondere bei aus der Abluft rückgewonnenem Wasserstoff 1 in dem Gas vorhanden sein können. Die Kathode 8 wird im Betrieb von dem Kathodengas umströmt, im vorliegenden Fall sauerstoffhaltige Frischluft, umfassend einen Stickstoff- 2 und einen

Sauerstoffanteil 3. Die Membran 4 ist vorliegend als Protonenaustauschmembran (PEM-Membran) gebildet, die für Protonen durchlässig ist, aber für die

Reaktanten der Brennstoffzellenreaktion, Wasserstoff 1 und Sauerstoff 3 weitestgehend undurchlässig ist. Während des Betriebs der Brennstoffzelle 5 wird der Brennstoff, hier Wasserstoff 1, an der Anode 6 katalytisch unter Abgabe von Elektronen zu Protonen oxidiert. Die Protonen gelangen durch die

Protonenaustauschmembran in die mit sauerstoffhaltigem Gas gefüllte

Kathodenkammer. Die Elektronen werden aus der Brennstoffzelle 5 abgeleitet und fließen über eine vorliegend nicht dargestellte elektrische Verbindung zur Kathode 8. An der Kathode 8 wird das Oxidationsmittel, hier Sauerstoff 1, durch die Aufnahme der Elektronen zu Anionen reduziert, die unmittelbar mit den Protonen zu Wasser reagieren. Durch die beschriebene Reaktion stellt sich eine messbare Spannung zwischen der Anode und der Kathode ein, die insbesondere von den Reaktanten, der Qualität der Zelle, der Temperatur und der

Beanspruchung der Zelle abhängt. Die theoretisch erreichbare Zellspannung beträgt bei einer Wasserstoff/Sauerstoff-Brennstoffzelle 1,23 V bei einer

Temperatur von 25°C. Aufgrund von geringeren Umsetzungsgraden durch unreine Reaktanten, Abnutzungsprozesse der Zellen und insbesondere im Betrieb der Zellen werden allerdings in der Regel nur Zellspannungen von ca. 1 V erreicht.

Fig. lb zeigt eine Schnittansicht einer defekten Brennstoffzelle 5 mit einer innerhalb der Protonenaustauschmembran 5 angeordneten Leckage 4‘. In diesem Fall können die Reaktanten, wie vorliegend Teile des im Anodenraum angeordneten Wasserstoffs 1, durch die Leckage in den Kathodenraum eindringen und dort direkt mit Sauerstoff 3 zu Wasser reagieren. Der auf diese Weise umgesetzte Wasserstoff 1 trägt somit nicht zur Zellspannung bei, sodass in Abhängigkeit der Größe der Leckage 4‘ geringere Zellspannungen gemessen und geringer Energien geliefert werden. Bei größeren Leckagen 4‘ kann eine derartige direkte Reaktion zudem aufgrund ihrer hohen Reaktionsenergie auch aus sicherheitsrelevanten Gründen problematisch sein.

Fig. 2 zeigt die Polarisationskurve einer intakten und einer defekten PEM- Brennstoffzelle 12 mit einer innerhalb der Membran 4 der Zelle 5 angeordneten Leckage 4‘. Belastet man eine Brennstoffzelle 5 mit einem Strom, so sinkt aufgrund von Aktivierungsverlusten und ohmschen Verlusten mit zunehmender Belastung die Zellspannung der belasteten Zelle 5. Mit variierender Belastung ergibt sich hierbei ein charakteristischer fortlaufender Strom-Spannungsverlauf, die sog. Strom-Spannungs- oder Polarisationskurve einer Brennstoffzelle 5. Anhand dieses charakteristischen Kurvenverlaufs wird deutlich, weshalb das erfindungsgemäße Verfahren, das eine Leckage innerhalb einer Membran 4 einer Brennstoffzelle 5 anhand eines Spannungsabfalls detektiert, aufgrund der Messempfindlichkeit bestenfalls im völlig unbelasteten Zustand einer

Brennstoffzelle 5 bei Leerlaufspannung 14 (OCV: open Circuit voltage) durchgeführt werden sollte. In diesem Zustand sind die Spannungsdifferenzen V _a zwischen einem intakten System 10 und einem defekten System 12 mit einer innerhalb der Membran 4 angeordneten Leckage 4‘ am größten. Führt man die Messung dagegen bei hoher Belastung der Brennstoffzelle 5 durch, so ist eine Detektion einer Leckage 4‘ anhand der Differenz der Zellspannung V _b nur noch sehr schwer durchführbar.

Fig. 3 zeigt den Verlauf der Zellspannung einer intakten und einer defekten Brennstoffzelle 5 während der Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Hierbei kann der Verlauf in drei Abschnitte a, b, c aufgeteilt werden. Der

Abschnitt a gibt hierbei den Verlauf der Zellspannung vor einer Reduktion der von der Brennstoffzelle 5 bereitgestellten Leistung, bei einem von der

Brennstoffzelle 5 bereitgestellten Strom 30a wieder, wohingegen der Abschnitt b den Verlauf der Zellspannung nach einer Reduktion der von der Brennstoffzelle 5 bereitgestellten Leistung auf einen Minimalwert an bereitgestelltem Strom 30b wiedergibt und den bevorzugten Messabschnitt zur Aufnahme von Messwerten 40 darstellt. Der Abschnitt c gibt schließlich den Verlauf der Zellspannung nach der Durchführung der Messwertaufnahme wieder, bei dem die von der

Brennstoffzelle 5 bereitgestellte Leistung wieder auf den ursprünglich

bereitgestellten Strom 30c erhöht wird. Die Kurve 32 zeigt hierbei den Verlauf des von der zumindest einen weiteren Energiequelle bereitgestellten Stroms.

Die Kurve 34 zeigt den Spannungsverlauf einer intakten Brennstoffzelle 5, wohingegen die Kurve 36 den Spannungsverlauf einer defekten Brennstoffzelle 5, mit einer innerhalb der Membran 4 angeordneten Leckage 4‘ wiedergibt.

In einem ersten Abschnitt a während eines Betriebs der Brennstoffzelle 5 mit einem von der Zelle bereitgestellten Strom 30a kann zwischen der Zellspannung der intakten 34a und der Zellspannung einer defekten Brennstoffzelle 36a kaum unterschieden werden (siehe Fig. 2 Spannungsdifferenz V _b ). Nach der erfindungsgemäßen Reduktion des Brennstoffzellenstroms von dem

Betriebszustand 30a auf einen Minimalwert 30b kann jedoch anhand der

Zellspannung deutlich zwischen dem intakten und dem defekten System differenziert werden. Die Zellspannung der intakten Zelle 34b steigt auf den Wert, den die Zelle im unbeanspruchten Zustand, d.h. bei Leerlaufspannung (siehe Fig. 2) erreicht. Die Zellspannung der defekten Zelle 36b sinkt hingegen ab, da durch die Leckage 4‘ ein Austausch zwischen den Reaktanten stattfindet, der zur direkten Reaktion zwischen Wasserstoff- 1 und Sauerstoffmolekülen 3 führt, sodass der auf diese Weise zu Wasser umgesetzte Wasserstoff 1 nicht zum Zellpotential beträgt. In dieser Phase, die den bevorzugten Messabschnitt darstellt und vorzugsweise 2 bis 5 Sekunden andauert, kann eine Leckage 4‘ innerhalb der Membran 4 einer Brennstoffzelle 5 sehr empfindlich detektiert werden.

Um ein Brennstoffzellensystem auch während dieser Phase 40, in der die von der Brennstoffzelle 5 bereitgestellte Leistung bzw. der bereitgestellte Strom auf einen Minimalwert 30b reduziert wird, betreiben zu können, wird die reduzierte Leistung durch Erhöhung des Stroms 32a einer zumindest einen weiteren Energiequelle auf einen Strom 32b kompensiert, sodass dem betreffenden Antrieb während des gesamten Verlaufs eine konstante Leistung zur Verfügung gestellt wird. Anschließend, nach erfolgter Aufnahme von Messwerten zur Bewertung eines Zustands hinsichtlich einer Leckage innerhalb der Membran 4 einer

Brennstoffzelle 5, wird der von der Brennstoffzelle 5 bereitgestellte Strom wieder auf einen Wert 30c erhöht, während der von der zumindest einen anderen Energiequelle bereitgestellte Strom in gleichem Maße wieder auf einen Wert 32c reduziert wird. In Reaktion darauf sinkt die detektierte Zellspannung der intakten Zelle wieder ab, wohingegen die Zellspannung der defekten Zelle wieder ansteigt, sodass wie im ersten Abschnitt a anhand der Zellspannung nur sehr schwierig zwischen der intakten und defekten Zelle unterschieden werden kann.

Fig. 4 zeigt ein Flussdiagramm zur Darstellung des Ablaufes des

erfindungsgemäßen Verfahrens zur Erkennung einer Leckage innerhalb der Membran einer Brennstoffzelle 5. Das Verfahren umfasst die Schritte 20 bis 28.

Während des Betriebs eines Brennstoffzellensystems findet in einem optionalen Schritt 20 zunächst eine Prüfung hinsichtlich der aktuellen Durchführbarkeit des Verfahrens statt. Dieser optionale Verfahrensschritt wird in erster Linie durchgeführt, um sicherstellen zu können, dass vorzugsweise während der gesamten Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens hindurch eine von der Brennstoffzelle 5 reduzierte Leistung auch von der zumindest einen anderen Energiequelle bereitgestellt werden kann. Eine derartige Prüfung kann hierbei insbesondere eine Prüfung des aktuellen Ladezustands der zumindest einen weiteren Energiequelle umfassen. Des Weiteren kann die Prüfung vorzugsweise einen Vergleich der aktuell verfügbaren Ladekapazität mit einem prognostizierten Energieverbrauch während der Durchführung des erfindungsgemäßen

Verfahrens umfassen

Nach diesem optionalen Schritt zur Prüfung hinsichtlich der aktuellen

Durchführbarkeit des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt in einem Schritt 22 die Reduktion der von der Brennstoffzelle 5 bereitgestellten Leistung ausgehend von einer Ausgangsleistung auf einen Minimalwert und die gleichzeitige

Kompensation dieser Leistung durch zumindest eine andere Energiequelle. Der Minimalwert, der von der Brennstoffzelle 5 bereitgestellten Leistung ist im Idealfall ein Wert von 0 Watt, d.h. der Wert, der messbar ist, wenn gar keine Leistung von der Brennstoffzelle 5 bereitgestellt wird. Jedoch ist es ebenso möglich, dass der Minimalwert höher ist, bspw. mehrere Kilowatt oder dergleichen. Eine Reduzierung der Leistung auf den Minimalwert kann hierbei stufenweise oder auch stufenlos erfolgen. Bei der zumindest einen weiteren Energiequelle handelt es sich vorzugsweise um eine elektrische, insbesondere eine elektrochemische Energiequelle.

Nach der Reduktion der von der Brennstoffzelle 5 bereitgestellten Leistung auf einen Minimalwert und gleichzeitiger Kompensation durch zumindest eine weitere Energiequelle, erfolgt in einem Schritt 24 des erfindungsgemäßen Verfahrens eine Ermittlung von Messwerten der aktuellen Zellspannung der Brennstoffzelle 5. Hierbei kann sowohl das Zeitintervall zur Ermittlung der Messwerte, als auch die Rate der Messwertermittlung vorzugsweise frei und variabel gewählt werden. Die Ermittlung findet hierbei vorzugsweise in einem kleinen Zeitfenster, bspw. innerhalb von 2 bis 5 Sekunden, statt.

Nach der Ermittlung von Messwerten der aktuellen Zellspannung der

Brennstoffzelle 5 erfolgt im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens in einem Schritt 26 schließlich ein Bewerten eines Zustands der Membran der Brennstoffzelle 5 anhand der ermittelten Messwerte zur Erkennung einer Leckage. Die Bewertung eines derartigen Zustands umfasst hierbei vorliegend zumindest einen Vergleich zwischen den gemessenen Werten und

Referenzwerten, wobei die gemessenen Werte vorzugsweise von verschiedenen Sensoren stammen und insbesondere vor einem Vergleich mit Referenzwerten gemittelt und/oder gewichtet werden. Der Referenzwert ist hierbei vorliegend vorzugsweise ein variabel festlegbarer Wert, anhand dessen eine Bewertung eines Zustands hinsichtlich der Erkennung einer Leckage 4‘ innerhalb der Membran 4 einer Brennstoffzelle 5 erfolgen kann. Im einfachsten Fall stellt der Referenzwert den bei dem entsprechend bereitgestellten Strom theoretisch idealerweise zu erwartenden Wert der Zellspannung dar. Allerdings sind die Referenzwerte insbesondere systemabhängig und/oder abhängig von den aktuellen Umgebungsbedingungen, sodass die Referenzwerte vor einem aussagekräftigen Vergleich vorzugsweise entsprechend angepasst werden sollten. Nach der erfolgten Bewertung erfolgt letztlich in einem abschließenden Schritt 28, zumindest sofern keine Leckage 4‘ erkannt worden ist, eine Erhöhung der von der Brennstoffzelle 5 bereitgestellten Leistung unter entsprechender Reduktion der von der zumindest einen anderen Energiequelle bereitgestellten Leistung. Sollte im Rahmen der Bewertung eine Leckage 4‘ innerhalb der

Membran 4 der betreffenden Brennstoffzelle 5 erkannt worden sein, so können alternativ oder kumulativ Warnsignale erzeugt werden und/oder die

Brennstoffzelle 5 in einen Notbetrieb geschaltet bzw. nicht wieder angeschaltet werden.