用于确定燃料电池系统内的净化段的长度和/或体积的方法与流程

1.本发明涉及一种具有权利要求1的前序部分的特征的、用于确定燃料电池系统内的净化段(purgestrecke)的长度和/或体积的方法。


背景技术：

2.基于氢气的燃料电池系统被认为是未来的移动性概念，因为它们只排放水作为废气，并且能够实现快速的加油时间。燃料电池系统在此需要空气和氢气用于单元电池内的化学反应。为了提供所需的能量，布置在燃料电池系统内的燃料电池相互连接成所谓的燃料电池堆叠。单元电池的废热在此借助冷却回路被引导出并释放到周围环境中。运行燃料电池系统所需的氢气通常由高压罐提供给系统。
3.燃料电池系统的净化策略通常基于时间或基于模型进行，例如通过整合吸取的电流作为流经阴极的空气的指示，或流经阴极并且因此扩散到阳极中的氮气量的指示。
4.文献de 10 2006 013 699 a1示出一种燃料电池设备，其具有燃料电池和由控制单元操纵的调整元件，其用于将来自燃料电池的运行物质流的残余气体排出。该燃料电池设备的特征在于，该控制单元包括考虑到了运行物质流中的运行物质浓度的控制装置和/或调节装置。


技术实现要素：

5.根据本发明的、具有独立权利要求的特征的、用于确定燃料电池系统内的净化段的长度和体积的方法具有如下优点：在净化过程期间在废气管道中在氢气传感器处测量氢气浓度，并且可以根据测量的氢气浓度的变化过程确定净化段的长度和/或体积。
6.可以根据测量的体积与最初测量的体积值相比或与保存的体积参考值相比的偏差来辨识净化段的堵塞(verstopfung)。
7.例如，堵塞可能是由于在冰冻条件下启动/运行时结冰或由于老化引起的净化段(包括净化阀在内)变窄而发生的。在这种情况下，如现有技术中描述的那样，受时间控制的净化策略仍然是无效的，而且所述堆叠在几分钟内(可能甚至在几秒钟内)就会受到不可修复的损坏。
8.通过根据本发明的方法，可以识别出净化段中的堵塞，并且采取应对措施，例如通过匹配净化策略，从而不会发生燃料电池堆叠的损坏。
9.根据本发明的方法是成本有利的，因为能够使用已经安装在系统中的传感器来确定长度和/或体积，并且由此识别出例如由于结冰引起的堵塞，例如老化引起的堵塞。用于确定氢气浓度的氢气传感器按照标准安装在每个燃料电池系统中，因为出于安全原因，通过废气管道被导入周围环境中的氢气浓度总是被测量。
10.通过所描述的方法，通过匹配净化策略避免了不充分的净化，即如下净化过程：在该净化过程的情况下，在该净化过程结束之后，氮气和水蒸气总是仍然存在于再循环回路中。在此，一种可能的后果是随后的氢气耗尽和燃料电池堆叠中的单元电池的由此带来的
退化(degradation)。
11.在从属权利要求中，给出了根据本发明的燃料电池系统的有利构型和扩展方案。
12.如果在净化阀开启之前将再循环回路填充纯氢气，则可以以有利的方式确定长度和/或体积，因为氢气的密度和动态粘度可以在方程组中准确给出。
13.如果在净化过程期间，废气管道中的空气质量流量保持恒定，用以防止氢气传感器处的稀释条件的变化，则是有利的。
14.如果将废气管道的测量的体积与废气管道的体积的预给定值或最初测量值进行比较，并且根据偏差识别出净化段的部分堵塞，则得出一个另外的优点。以这种方式，可以在早期阶段已经识别出净化段的部分堵塞，从而可以及时地引入应对措施。这尤其可以是增加净化持续时间和/或减少净化间隔。
15.为了避免在部分堵塞的情况下出现不充分的净化并且因而避免燃料电池堆叠中的单元电池的退化，可以增加净化持续时间或减少净化间隔。
16.根据本发明的方法可以尤其是在以燃料电池运行的机动车中使用。然而，同样也能够设想在其他以燃料电池运行的运输工具(例如起重机、船舶、有轨车辆、飞行物体)中或在固定的以燃料电池运行的物体中的使用。
附图说明
17.附图示出：
18.图1根据第一实施例的根据本发明的燃料电池系统的示意图，
19.图2根据第一实施例的根据本发明的方法的各个步骤的流程图，以及
20.图3示出在净化过程期间在循环回路中和废气管道中的氢气浓度的测量。
具体实施方式
21.图1中示出了根据本发明的一个实施例的燃料电池系统1的示意性拓扑结构，该燃料电池系统具有至少一个燃料电池堆叠101。至少一个燃料电池系统1具有空气路径10、废气管道12和燃料管道20。至少一个燃料电池堆叠101可以用于具有高功率要求的移动应用，例如在载重汽车中，或用于固定应用，例如在发电机中。
22.空气路径10用作供气管道，用以通过入口16将来自周围环境的空气输送给燃料电池堆叠101的阴极105。空气传感器13可以可选地布置在空气路径10中，该空气传感器确定空气的氧气含量。
23.在空气路径10中布置有燃料电池堆叠101的运行所需的部件。在空气路径10中布置有空气压缩器11和/或压缩机11，其根据燃料电池堆叠101的相应的运行条件压缩或吸入空气。加湿器15可以位于空气压缩器11和/或压缩机11的下游，该加湿器使得空气路径10中的空气富集较高的液体浓度。
24.在空气路径10内还可以设置其他部件，例如过滤器和/或热交换器和/或阀门。通过空气路径10向燃料电池堆叠101提供含氧空气。燃料电池系统1还可以具有冷却回路，该冷却回路构造用于冷却燃料电池堆叠101。图1中没有示出冷却回路，因为它不是本发明的组成部分。
25.高压罐21和截止阀22位于燃料管道20的输入端处。其他部件可以布置在燃料管道
20中，用以根据需要给燃料电池堆叠101的阳极103供应燃料。
26.为了给燃料电池堆叠101总是充足地供应燃料，需要通过燃料管道20对燃料进行过量的计量。多余的燃料以及通过单元电池膜扩散到阳极侧上的一定量的水和氮被引导回到再循环回路50中，并且与来自燃料管道20的计量的燃料混合。
27.为了驱动再循环回路50中的流动，可以安装不同部件，例如用计量的燃料运行的喷射泵51或再循环泵52。喷射泵51和再循环泵52的组合也是可能的。
28.由于再循环回路50中的水和氮的量随着时间的推移而不断增加，因此必须不时地对再循环回路50进行冲洗，从而燃料电池堆叠101的性能能力不会由于燃料管道20中的过高的氮气浓度而下降。
29.在再循环回路50和废气管道12之间布置有净化管道40，从而来自再循环回路50的气体混合物能够流入废气管道12中。
30.在净化管道40中布置有净化阀41，该净化阀可以开启和关闭再循环回路50和废气管道12之间的连接。净化阀41通常在短时间内开启，从而使气体混合物通过净化管道40被导入废气管道12中。
31.废气管道12用于将废气通过出口18运送到周围环境中。废气具有气体混合物，该气体混合物具有来自空气路径10的空气和水的组成部分。废气管道12的废气也可能包含氢气(h2)，因为来自燃料管道20的氢气中的部分氢气可以扩散穿过燃料电池堆叠101的膜。此外，氢气和带有氮气的气体混合物可以通过净化管道40进入废气管道12。
32.在废气管道12中布置有氢气传感器45，该氢气传感器测量废气中的氢气的浓度，因为不允许过多的氢气通过废气管道12进入周围环境。此外，必须避免形成爆炸性混合物。
33.图2示出了根据本发明的方法的各个步骤的流程图，该方法用于确定根据第一实施例的燃料电池系统100内的净化段的长度和/或体积。
34.净化段被理解为由净化管道40和废气管道12的部段组成的组合，该部段位于净化管道40到废气管道12中的汇入部(einm
ü
ndung)和氢气传感器45之间。
35.在该方法中，在净化过程期间测量在废气管道12中在氢气传感器45处的氢气浓度，并且根据测量的氢气浓度的变化过程确定净化段的长度和/或体积。
36.在方法步骤200中，引入净化过程。该净化过程可以有意识地引入，用以例如在燃料电池系统启动时在行程开始时或在确定的行程时间后确定长度和/或体积。
37.为了引入净化过程，开启净化阀41，并且将燃料电池堆叠101的当前功率等级尽可能地保持恒定。
38.在方法步骤210中，将废气管道12中的空气质量流保持恒定，用以防止氢气传感器45处的稀释条件的变化。例如，这可以通过有意识地将空气压缩器11调节到一个固定的功率水平来进行。
39.在方法步骤220中，在净化过程期间测量的、废气中的氢气浓度由氢气传感器45以短的时间间隔或连续地测量并且在必要时存储。
40.在方法步骤230中，确定净化阀41的开启和氢气传感器45处的氢气浓度的增加之间的持续时间。借助于该持续时间和再循环回路50中的压强值p
rezirkulationskreis
以及废气管道12中的压强值p
abgasleitung
，可以在将氢气的扩散速度考虑在内的情况下求取净化段的长度和体积。
41.在此，例如可以求解所附的方程组，以求解长度l和/或体积v
purgestrecke
。
[0042][0043][0044][0045][0046][0047][0048][0049]
n:摩尔数[mol]
[0050]
v:体积[m3]
[0051]
t:温度[k]
[0052]
体积流[m3/s]
[0053]
r:半径[m]
[0054]
l:长度[m]
[0055]
σ:动态粘度[bar s]
[0056]
p:压强[bar]
[0057]
摩尔流[mol/s]
[0058]
ρ:密度[g/m3]
[0059]
μ:摩尔质量[mol/g]
[0060]
在此，将循环回路中的气体成分考虑或近似以用于ρ
anodengas
和μ
anodengas
，将净化管道40的输出端处的气体成分考虑或近似以用于ρ
purgegas
和μ
purgegas
。
[0061]
在一个替代实施例中，在方法步骤240中，检查净化段的测量的体积是否与净化段的体积的预给定值或最初测量值一致。如果存在偏差，则可以假定净化段的部分堵塞。
[0062]
如果存在净化段的堵塞，则在方法步骤250中增加净化持续时间和/或减少净化间隔。否则，在方法步骤260中不改变净化持续时间和净化间隔。
[0063]
在一个替代实施方式中，在净化阀41开启之前，将再循环回路50填充纯氢气。这提高了测量的测量准确性，因为否则的话，在再循环回路50中存在物质混合物，并且用于扩散速度的参数必须根据再循环回路50中的物质的成分来匹配。
[0064]
图3中示出了一个测量，该测量提供了本发明方法的物理背景。
[0065]
在曲线图中，虚线表示净化过程。在值为0时，净化阀41是关闭的，在值为1时，净化阀41是开启的。
[0066]
在曲线图中，上方的实线a表示氢气传感器45处的氢气浓度。这里没有给出数值，因为只需要测量的氢气浓度的变化过程来解释该过程。
[0067]
在下方示出的曲线图b中示出了再循环回路50中的氢气浓度；这里涉及的也不是明确的测量值，而是测量曲线的变化过程。
[0068]
通过在曲线图a中示出的净化过程，“清洗”了再循环回路50中的氮气和水蒸气。由此，再循环回路50中的氢气浓度增加，如曲线b中所示。净化过程一直执行，直到再循环回路50中的氢气浓度上升到100％。
[0069]
在净化过程期间，在曲线a中可以看到以下阶段：
[0070]
1.死区时间：氢气传感器45处的氢气浓度没有增加。
[0071]
2.填充净化段：氢气传感器45中的氢气浓度迅速增加。
[0072]
3.再循环回路50中的氢气浓度增加：氢气传感器45处的氢气浓度适度增加。
[0073]
4.没有记录到再循环回路50中的氢气浓度的进一步增加：达到了氢气传感器45处的氢气浓度的最大平稳状态(plateau)。
[0074]
在阶段1中，氢气还没有到达氢气传感器45，即时间、氢气量、压差等不足以使氢气分子完全通过净化段。
[0075]
如果氢气的通过时间的相关参数(净化段的长度和体积、压差等)发生变化，则阶段1的长度相应地发生变化。
[0076]
在阶段2中，氢气传感器52处的氢气浓度增加。在这个阶段中，来自再循环回路50的气体可以流经净化管道40。由于在净化管道40内也存在如下气体：与再循环回路50中的气体相比，该气体具有更低的氢气浓度，因此来自再循环回路50的气体首先被强烈稀释。在通流增加后，净化管道40中的氢气浓度增加，其快速与再循环回路50的氢气浓度适配。这个阶段的持续时间和氢气浓度的增加的梯度与净化管道的几何参数(如长度和直径)以及管道系统内的转向相关联。
[0077]
在图3的第二曲线图中，阶段1和阶段2之间的过渡附加地通过垂直双线所强调，该垂直双线用x表示。

技术特征：
1.一种用于确定燃料电池系统(100)内的净化段的长度和/或体积的方法，其中，所述燃料电池系统(1)具有燃料电池堆叠(101)、空气路径(10)、废气管道(12)和燃料管道(20)，所述燃料管道具有再循环回路(50)，其特征在于，在净化过程期间，在所述废气管道(12)中在氢气传感器(45)处测量氢气浓度，并且根据测量的氢气浓度的变化过程来确定所述净化段的长度和/或体积。2.根据权利要求1所述的方法，其中，确定在净化阀(41)的开启与所述氢气传感器(45)处的氢气浓度增加之间的持续时间。3.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，确定所述再循环回路(50)中的压强和所述废气管道(12)中的压强。4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，在将氢气的扩散速度考虑在内的情况下，求取所述净化段的长度和/或体积。5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，在开启所述净化阀(41)之前，将所述再循环回路(50)填充纯氢气。6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，在所述净化过程期间，将所述废气管道(12)中的空气质量流保持恒定，用以防止所述氢气传感器(45)处的稀释条件的变化。7.根据权利要求1所述的方法，其中，将所述净化段的测量的体积与所述净化段的体积的预给定值进行比较，并且根据偏差识别出所述净化段的部分堵塞。8.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，如果存在堵塞，则增加净化持续时间和/或减少净化间隔。9.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，在每个净化过程中或在预定的时间间隔后应用所述方法，用以检查是否存在堵塞。10.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，在所述燃料电池系统投入运行时执行所述方法，用以应用所述净化段的参数和/或车辆个性化地用以适配改变的参数。

技术总结
一种用于确定燃料电池系统(100)内的净化段的长度和/或体积的方法，其中，所述燃料电池系统(1)具有燃料电池堆叠(101)、空气通道(10)、废气管道(12)以及带有再循环回路(50)的燃料管道(20)。在净化过程期间，在所述废气管道(12)中的氢气传感器(45)处测量氢气浓度，并且根据测量的氢气浓度的变化过程来确定所述净化段的长度和/或体积。净化段的长度和/或体积。净化段的长度和/或体积。


技术研发人员：H
受保护的技术使用者：罗伯特
技术研发日：2021.12.08
技术公布日：2023/8/14