阅读说明：本技术 用于释放燃料电池系统的方法以及燃料电池系统 (Method for releasing a fuel cell system and fuel cell system ) 是由 A·佩尔格 C·德特马 于 2018-12-06 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种用于释放燃料电池系统的方法以及一种燃料电池系统。该方法包括下述步骤：i)检测压力值(P<Sub>MD</Sub>),其指示阳极子系统的一个区段(MD)内的压力,该区段(MD)开始于减压器(224)的下游；ii)如果所述压力值(P<Sub>MD</Sub>)大于压力极限值(P<Sub>TAVc</Sub>)且存在释放请求,则在泄压时间间隔(t<Sub>DE</Sub>)中使区段(MD)进行泄压；然后iii)如果所述区段(MD)中的压力值(P<Sub>MD</Sub>)在泄压之后小于压力极限值(P<Sub>TAVc</Sub>),则释放燃料电池系统。(The invention relates to a method for releasing a fuel cell system and to a fuel cell system. The method comprises the following steps: i) detecting a pressure value (P) MD ) Indicating the pressure within a section (MD) of the anode sub-system, which section (MD) starts downstream of the pressure reducer (224); ii) if said pressure value (P) is not reached MD ) Greater than the pressure limit value (P) TAVc ) And there is a release request, then in the release time interval (t) DE ) Venting the section (MD); then iii) if the pressure value (P) in said section (MD) MD ) At the pressure reliefThen less than the pressure limit value (P) TAVc ) The fuel cell system is released.)

用于释放燃料电池系统的方法以及燃料电池系统

技术领域

本文公开的技术涉及一种用于释放燃料电池系统的方法以及一种构造用于实施本文公开的方法的燃料电池系统。

背景技术

这种燃料电池车辆是已知的。在燃料电池车辆中，燃料在高压下存储在压力容器中。在运行期间燃料必须在明显较低的压力范围内被供应给燃料电池堆。压力的改变通过所谓的压力调节器或减压器来实现。压力调节器下游的区域通常称为中压区域。在减压器和燃料电池堆之间可安装另一减压器，其将压力进一步降低到低压。为了保护中压区域中的构件并作为安全措施，当超过中压区域中的允许压力上限时，燃料箱截止阀关闭并且必要时阳极截止阀关闭。另外，通常在中压区域中安装有过压阀，其在进一步超过时进行触发。

如果现在将机动车停放较长的时间，则可能发生以下情况：在中压区域中出现这样的压力值，在该压力值下上述阀已经保持关闭，但过压阀尚未触发。这例如可通过压力调节器处的最小泄漏和/或通过环境温度的升高引起。在此情况下，燃料电池系统的控制装置不允许释放。换句话说，控制装置基于中压区域内的压力不允许机动车启动，尽管在此不存在故障。在先前已知的解决方案中，控制装置不能区分故障和可容忍的压力升高。

发明内容

本文公开的技术的优选任务在于减少或消除先前已知解决方案的至少一个缺点或提出一种替代解决方案。本文公开的技术的优选任务尤其是在于提供一种方法或机动车，在所述方法或机动车中，减压器下游的阳极子系统中并非由故障引起并且因此可容忍的压力升高不会阻止机动车启动。其它优选任务可从本文公开的技术的有利效果得出。所述一个或多个任务通过独立专利权利要求的技术方案来解决。从属权利要求为优选实施方式。

所述任务尤其是通过一种用于释放燃料电池系统的方法和一种构造用于实施本文公开的方法之一的燃料电池系统来解决。

本文公开的技术涉及一种具有至少一个燃料电池的燃料电池系统。可想到燃料电池系统例如用于移动运输应用、如机动车(如乘用车、摩托车、商用车)、尤其是用于为至少一个驱动机器提供能量以使机动车向前行驶。燃料电池最简单的形式是电化学能量转换器，它将燃料和氧化剂转化为反应性产物并且在此产生电能和热量。燃料电池包括阳极和阴极，它们通过离子选择性或离子可渗透的分离器隔开。阳极被供应燃料。优选的燃料是：氢气、低分子量醇、生物燃料或液化天然气。阴极被供应氧化剂。优选的氧化剂例如是空气、氧气和过氧化物。离子选择性分离器例如可构造为质子交换膜(PEM)。优选使用阳离子选择性聚合物电解质膜。用于这种膜的材料例如是： 和通常多个燃料电池组合成燃料电池堆或堆叠。

燃料电池系统包括阳极子系统，该阳极子系统由燃料电池系统的引导燃料的部件形成。阳极子系统可具有至少一个压力容器、至少一个燃料箱截止阀、至少一个减压器，至少一个引导通向燃料电池堆的阳极入口的阳极流入路径、燃料电池堆中的阳极室、至少一个引导离开燃料电池堆阳极出口的再循环流路、至少一个水分离器、至少一个阳极吹扫阀、至少一个主动或被动的燃料再循环输送机以及其它元件。阳极子系统的主要任务是将燃料引入并分配到阳极室的电化学活性表面上并排出阳极废气。燃料电池系统包括阴极子系统。阴极子系统由引导氧化剂的部件形成。阴极子系统可具有至少一个氧化剂输送机、至少一个引导通向阴极入口的阴极流入路径、至少一个引导离开阴极出口的阴极废气路径、燃料电池堆中的阴极室以及其它元件。阴极子系统的主要任务是将氧化剂引入并分配到阴极室的电化学活性表面上并排出未使用的氧化剂。

本文公开的技术还包括至少一个减压器。减压器设置在阳极子系统中的所述至少一个压力容器的下游和所述至少一个燃料电池的上游。减压器构造用于将存在于减压器入口处的燃料入口压力减小到存在于减压器出口处的燃料出口压力或背压。减压器在最简单的形式中可以是节流阀。通常，减压器包括减压阀，其确保即使在不同的入口压力下在出口侧也不超过特定出口压力。燃料在减压器中膨胀。优选使用第一减压器并且在下游使用第二或另一减压器。

在本文公开的技术的一种实施方式中，燃料电池系统的释放可包括下述步骤：在释放之后燃料电池系统可从非活动状态(即非使用阶段)——在其中它不向可能的用电器提供能量——转变为活动运行状态——在其中它能够向可能的外部用电器提供电能。在一种优选实施方式中规定，在燃料电池系统的未释放状态中本文公开的燃料箱截止阀不能被致动，直到燃料电池系统被释放。燃料箱截止阀在锁止状态中不能再打开。在此不存在燃料箱截止阀的机械锁定，而是所有其它想要打开燃料箱截止阀的信号均被覆盖，直到其被释放。换句话说，只有存在释放时燃料箱截止阀才能被打开。

释放请求是用于释放燃料电池系统的直接或间接请求，例如如果用户想要启动燃料电池系统或燃料电池机动车。这种请求也可以间接提出。例如可规定，已经将机动车车门解锁评估为燃料电池系统的释放请求。这种释放请求可启动燃料电池系统的启动程序。

适宜的是，本文公开的方法包括下述步骤：检测压力值，其指示阳极子系统的一个区段内的压力，该区段开始于减压器的下游。

所述区段通常终止于燃料电池系统的所述至少一个燃料电池的上游或燃料电池堆的上游。通常，在前述第一减压器和所述至少一个燃料电池之间设有另一或第二减压器。在一种实施方式中，所述区段具有中压水平，其低于第一减压器上游的压力水平并高于第二减压器下游的压力水平。在这种实施方式中，所述区段也可被称为中压区域。但也可设想仅使用一个减压器。

压力值指示该区段内的压力。在一种实施方式中，压力值可以直接是设置在该区段中的压力传感器的信号。在另一种实施方式中，例如可通过检测其他参量来间接确定压力值。

适宜的是，根据本文公开的技术在燃料电池系统的非活动阶段期间——在此期间燃料电池系统不向用电器提供电能——确定压力值。尤其是在压力容器系统的燃料箱截止阀已关闭的情况下检测压力值。此外，适宜的是，在检测压力值时不从燃料电池系统或区段提取燃料。适宜的是，在检测压力值期间在阳极流入路径中的燃料电池堆上游的阳极截止阀已关闭。

本文公开的技术还包括下述步骤：如果压力值大于压力极限值且存在释放请求，则使该区段泄压。

泄压包括在此定义的如下过程，这些过程在燃料电池系统未受损时或可容忍的损伤下引起压力降低。

泄压优选在泄压时间间隔的持续时间内进行。泄压时间间隔是定义的时间段或定义的持续时间。该泄压时间间隔通常是恒定的并且例如可以是5秒或10秒或30秒或1分钟。优选泄压时间间隔选择得尽可能短，使得燃料电池系统能够尽快启动。但泄压时间间隔适宜地如此长，使得如果不存在燃料电池系统损坏则在任何情况下都可实现泄压。泄压时间间隔尤其是取决于泄压的方式。但这并非必须如此实现。同样可想到控制装置连续地比较压力值和压力极限值。

压力极限值在此指示本文公开的区段中的极限压力。

极限压力是高于区段正常运行压力的压力。区段的正常运行压力是在燃料电池系统的正常或者说活动运行(即供应能量的运行)中或在非活动阶段期间(例如在夜间停车期间)存在的压力。

在一种优选实施方式中，选择这样的压力作为极限压力，从该压力起，燃料箱截止阀与燃料电池系统的运行状态无关地未释放(即锁止)。通常规定这种压力极限值和这种锁止功能是为了在故障时使燃料电池系统不再继续运行。

如果压力值在本文公开的泄压之前高于压力极限值，则根据本文公开的技术检查在燃料电池系统的非活动阶段期间在该区段中可能出现的压力升高是否可容忍。但如果压力值低于压力极限值，则不存在关键性的压力升高并且因此可准许释放。本文公开的方法可包括下述步骤：如果检测到的压力值小于压力极限值，则不进行泄压并且在检测压力值之后就已经进行释放。如果是这种情况，则在非活动阶段中没有发生明显的压力升高。

本文公开的方法包括下述步骤：如果所述区段中的压力值在泄压之后小于压力极限值，则释放燃料电池系统的启动。释放在此尤其是可包括下述步骤：释放所述至少一个燃料箱截止阀。在释放之后，所述至少一个燃料箱截止阀可打开以启动燃料电池系统。本文公开的方法还可包括下述步骤：如果所述区段中的压力值在泄压之后小于在燃料电池系统提供能量的活动运行期间允许出现的最大运行压力极限值，则释放燃料电池系统。有时作为极限值可选择比极限压力低的值，在该极限压力下燃料箱截止阀锁止。

本文公开的方法可包括下述步骤：在泄压之前和释放请求之后，检查减压器上游的可能的燃料箱截止阀(即一个或所有(如果存在多个)燃料箱截止阀)是否关闭，并且只有在可能的燃料箱截止阀已关闭的情况下才使区段进行泄压。因此有利地确保了在减压器出故障时燃料不会不受阻碍地流出。

泄压可以不同方式实现。在一种实施方式中，排放阀与本文公开的区段流体连接。通过该排放阀燃料可逸出到环境中。根据本文公开的技术可规定，通过使燃料从该区段直接或间接地流入燃料电池系统的燃料电池堆的阳极来进行泄压。为此可打开阳极流入管路的阳极截止阀。替代或附加地可规定，通过使燃料从该区段直接或间接地流入燃料电池系统的废气系统来进行泄压。废气系统例如可由阴极废气路径形成。根据本文公开的技术可规定，在泄压期间排出的燃料在催化剂表面上被催化转化。为此例如可规定，在废气路径中安装催化剂表面。在一种实施方式中可规定，待排出的燃料通过废气管路供应给燃料电池堆的阴极。在一种优选实施方式中，在泄压期间待排出的燃料通过阳极吹扫阀和阳极吹扫管路逸出到阴极废气系统中。这种阳极吹扫阀和阳极吹扫管路适宜用于吹扫(＝purge清理)阳极子系统，以便从子系统中除去水和氮气。优选燃料电池系统至少在泄压期间这样运行氧化剂输送机，使得在燃料离开燃料电池系统之前，在泄压期间待排出的燃料被氧化剂输送机输送的环境空气稀释。

本文公开的技术也涉及一种具有本文公开的燃料电池系统的机动车(如乘用车、摩托车、商用车)。

所有结合本文所示方法描述的特征同样应作为燃料电池系统或所述至少一个控制器的结构特征被公开，它们可被相应地构造。

本文公开的系统包括至少一个控制器。该控制器构造用于实施本文公开的方法步骤。为此控制器可基于所提供的信号至少部分并且优选完全地调节(闭环控制)或控制(开环控制)系统的致动器。控制器至少可影响燃料电池系统、尤其是阴极子系统、阳极子系统和/或燃料电池系统的冷却系统。替代或附加地，控制器也可集成在另一控制器中、如更高级别的控制器中。控制器可与机动车的其它控制器相互作用。

压力容器例如可以是高压气体容器(＝CGH2)。高压气体容器构造用于在环境温度下持续地以约350巴(＝相对于大气压力的过压)、更优选约700巴或更大的标称运行压力(NWP)存储燃料。低温压力容器适用于在远低于机动车运行温度的温度下以上述运行压力存储燃料。

本文公开的技术还涉及一种燃料箱截止阀。燃料箱截止阀是这样一种阀，其入口压力(基本上)等于容器压力。燃料箱截止阀尤其是可控制或可调节的并且尤其是无电流常闭阀。燃料箱截止阀通常集成到燃料箱上阀(＝OTV)中。燃料箱上阀是直接安装在压力容器一端并且与压力容器内部直接流体连接的阀单元。在2010年4月26日第406/2010号用于执行欧洲议会和理事会关于氢动力汽车型号批准的第(EG)79/2009号条例的委员会条例(EU)中，这种燃料箱截止阀也被称为第一阀。

换句话说，本文公开的技术涉及一种燃料电池系统和一种用于启动燃料电池系统的方法。

在本文公开的技术的一种实施方式中，燃料电池系统的所述至少一个燃料电池构造用于将中压区域中高于压力极限值的压力短暂地减小到正常范围内(＝低于压力极限值)的压力。但如果随后“正常”启动并且接着打开燃料箱截止阀，则可能无法识别到是否过压阀在存在故障的情况下(如压力调节器泄漏或调节错误)触发并使燃料不受控制地逸出。这种故障可导致安全功能起作用并且必须关闭燃料电池系统(紧急关闭)。

如果中压区域中的压力高于压力极限值，则可根据本文公开的技术如下启动系统：

-首先，燃料箱截止阀保持关闭(安全状态)。

-然后，所述至少一个燃料电池降低中压区域(＝区段)中的压力，直到压力在正常范围内。

有利的是，所述至少一个燃料电池在燃料电池还未向用电器提供电能(即燃料电池尚未启动)的情况下降低压力。为了使中压区域进行泄压，优选可从该区段提取燃料并供应给料电池系统的剩余阳极子系统或废气管路。为此例如可将少量的几毫克燃料(量取决于管路体积)排放到燃料电池堆的阳极中或通过旁路直接排放到废气管路中，直到压力降低到燃料电池系统正常运行所允许的压力。如果将燃料排放到废气管路中，则氧化剂输送机可供应环境空气以降低废气管路中的燃料浓度。

-如果中压区域中的压力降低到低于压力极限值的值或者如果压力值在中压区域泄压之后处于正常范围内，则可启动燃料电池的正常启动过程并且可打开或释放燃料箱截止阀。

-如果存在故障，则中压区域中的压力不会降低并且为运行定义的关断点生效并且在超过中压区域中的允许压力值时燃料箱截止阀关闭。

可有利地精确识别超过正常运行所允许的压力值(即超出正常范围)和过压阀的触发以及因此系统中的故障并采取安全措施。此外，还可识别渐进性故障。可有利地提高机动车的可用性。

如果在从高压区域到中压区域的过渡处(即在减压器处)存在故障，则不能通过本文公开的泄压来显著降低中压。少量排出氢气不足以充分降低压力，因为从高压区域不断地流入燃料。该故障在打开燃料箱截止阀之前就已经被识别并且不打开燃料箱截止阀。因而仅相对少量的燃料流出。

此外，本文公开的技术涉及一种用于检查减压器下游的阳极子系统区段的密封性的方法，其中，在燃料电池系统的非活动阶段期间，按时间间隔检测指示该区段的压力的压力值。由按时间间隔检测的值确定压力变化并将压力变化用作密封性的量度。该方法可包括下述步骤：与检测到的压力值同时检测环境温度的变化，在检测密封性时考虑与温度相关的压力值变化。换句话说，可定期检查是否满足系统的密封性要求。通过参数“停车期间的压力升高”(考虑到停车期间系统中的温度)可识别系统的渐进性劣化。由此可在运行中出现故障之前及时采取措施(如维护)。

附图说明

现在参考附图阐述本文公开的技术。附图如下：

图1示出燃料电池系统的示意图；

图2高度示意性示出压力值P_MD的时间曲线；和

图3示意性示出本文公开的方法步骤的一种实施方式。

具体实施方式

图1示意性示出本文公开的燃料电池系统。燃料、如氢气以700bar的压力存储在压力容器200中。压力容器200为具有多个燃料电池的燃料电池堆300提供氢气，这些燃料电池在较低的压力水平下、如以0.5至1barü(＝与大气压相比的过压)运行。燃料箱截止阀210设置在压力容器200的一端。代替仅一个具有燃料箱截止阀210的压力容器200也可设置具有多个燃料箱截止阀210的多个压力容器200。此外，在本文示出的系统中设有两个压力级，它们分别借助一个减压器222、224工作。第一压力级将压力从700bar降低到如10至20bar或13至16bar的中压水平(中压范围)。第二压力级将压力从中压水平降低到燃料电池的低压。第一减压器224下游的区域是本文公开的区段MD。该区段在此还被进一步分为中压区域MD和低压区域ND。作为第一减压器224在此使用机械比例压力调节器。在第二压力级中可为第二压力调节器222使用不同的技术、如喷射器、文丘里喷嘴和机械压力调节器。为了防止在减压器222、224发生故障的情况下管道破裂，在第一减压器222和第二减压器224的下游分别设置有一个过压阀(在此未示出)。在阳极子系统的再循环回路中，在燃料电池堆300的下游设置有水分离器232、阳极吹扫阀238、再循环泵236和文丘里喷嘴234。阳极吹扫管路239在此连接阳极吹扫阀238与阴极废气管路416，阴极废气管路开始于燃料电池堆300阴极K的下游并终止于环境。可在该废气管路416中设置催化剂表面(未示出)。在另一种实施方式中，阳极吹扫管路239在阴极的上游通入阴极供应管路415、尤其是在阴极侧的堆截止阀430的下游。可有利地规定，在区段MD泄压期间燃料的催化转化在燃料电池堆300的阴极K表面上进行。为此也可设想阳极和阴极的其它配管。氧化剂输送机410可构造用于以环境空气稀释在泄压期间排出的燃料。这可通过阴极或优选通过阴极旁路460来实现。于是，阴极侧的堆截止阀430、440可在泄压期间保持关闭。燃料和环境空气的流动方向在此通过箭头示出。燃料电池系统安装在机动车(未示出)中。

图2高度示意性示出压力值P_MD的时间曲线，在此区段MD中的压力用作压力值。燃料电池系统在时刻t0停止(Parken)。基于在非活动阶段中燃料电池系统的强烈加热，压力不断升高。在时刻t1，区段MD中的压力达到极限压力或压力极限值P_TAVc。从该时刻起，为了安全对于所有其它功能锁止燃料箱截止阀210。现在只能在进行释放后燃料箱截止阀才能再次打开。区段MD中的压力进一步升高，直到在时刻t2达到设置在区段MD中的过压阀的触发压力P_PRVo。过压阀打开并且区段MD中的压力下降，直到压力在时刻t3下降到过压阀的关闭压力P_PRVc。在关闭之后，区段MD中的压力基于持续加热再次上升直到触发压力P_PRVo(时刻t4)并且随后再次下降到关闭压力P_PRVc(时刻t5)。压力在此不会下降到低于燃料箱截止阀极限压力的压力。因此，如果不使用本文公开的技术，则在启动过程中燃料箱截止阀始终锁止。现在在时刻t6发出释放请求，例如因为用户想要启动机动车。在此时刻开始根据图3的方法步骤。

在图3中示意性示出本文公开的方法步骤的一种实施方式。本文公开的方法以步骤S100开始。在步骤S200中，可检测区段中的压力值P_MD。

在步骤S300中可确定检测到的压力值P_MD(在此即区段MD中的压力)是否大于减压器224的触发压力P_PRVo。如果是这种情况，则燃料电池系统或燃料箱截止阀210锁止或保持锁止并且向用户和/或第三方(例如通过遥测技术向控制室)发出相应的警告(参见步骤730)。但这并非必须如此实现。

但如果检测到的压力值P_MD不大于触发压力P_PRVo，则可在步骤S400中确定检测到的压力值P_MD是否大于燃料箱截止阀210的压力极限值P_TAVc。如果不是这种情况，则可进行释放(参见步骤S710)。但如果检测到的压力值P_MD大于压力极限值P_TAVc，则压力在燃料电池系统的非活动阶段期间没有通过泄压按希望下降。在此它甚至显著上升(见图2)。在此情况下(即P_TAVc＜P_MD＜P_PRVo)，首先在步骤S510中检查燃料箱截止阀210是否关闭。如果是这种情况，则在步骤S520中、即在泄压时间间隔t_DE(参见图2)中使区段MD进行泄压。这例如可通过打开阳极吹扫阀238来进行。优选此时燃料电池系统不向其它用电器提供电功率。燃料经由阳极吹扫阀238到达阴极废气管路416，在其中燃料被环境空气稀释(参见图1)。但也可想到其它用于泄压的装置。例如可从区段MD分支出一个旁路并通入阴极废气管路416中。在泄压期间进行这样的过程，这些过程在没有故障的情况下引起区段MD中的压力值P_MD的降低。但如果存在故障、如减压器224故障，其例如造成在非活动阶段中的压力升高，则在泄压时间间隔t_DE中压力值也继续升高(参见图2中的虚线)。在步骤S600中确定在泄压之后(在此：在泄压时间间隔t_DE之后)的时刻t6检测到的压力值P_MD是否小于压力极限值P_TAVc。

如果是这种情况，则可进行释放(参见步骤S710)。在这种情况下，燃料电池系统在非活动阶段期间的压力升高可归因于环境影响和/或可忽略的泄漏，其对于燃料电池系统的运行并不关键。尽管如此，必要时仍可发出指示。但如果检测到的压力值P_MD大于压力极限值P_TAVc，则可能存在故障。因此在步骤720中燃料电池系统或燃料箱截止阀210锁止或保持锁止并且向用户和/或第三方(如通过遥测向控制室)发出相应的警告(参见步骤720)。

本发明的上述描述仅用于说明目的并且不用于限制本发明。在本发明的范围中可在不离开本发明范围及其技术等价物的情况下实现各种改进和改型。

附图标记列表

300 燃料电池堆

A 阳极室

200 压力容器

210 燃料箱截止阀

215 阳极流入路径

216 再循环流路

222 第二减压器

224 第一减压器

232 水分离器

238 阳极吹扫阀

234 再循环喷射泵

236 循环输送机

239 阳极吹扫管路

MD 区段

ND 低压区段

K 阴极室

410 氧化剂输送机

415 阴极流入路径

420 热交换器

430 供应-堆截止阀

440 废气-堆截止阀

416 阴极废气路径

460 燃料电池旁路