CN103765649B - 用于冷却燃料电池的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于以液体冷却介质冷却燃料电池（3）的方法，其中，被提供给燃料电池的原料和由所述燃料电池导出的产物中的至少一种在运行条件下是气态的，其中，借助于冷却剂输送装置（11）输送冷却介质通过燃料电池（3）。本发明的特征在于，将冷却剂输送装置（11）的功率消耗与预设的参考值进行比较，以便在所述功率消耗与所述预设的参考值产生偏差时对所述液体冷却介质中的气体进行识别。

Description

用于冷却燃料电池的方法

技术领域

本发明涉及一种根据在权利要求1的前序部分中所详细限定的类型的用于以液体冷却介质冷却燃料电池的方法。

背景技术

由一般的现有技术已知燃料电池系统。这些燃料电池系统使用燃料电池来产生电功率，该燃料电池可以例如设计为PEM燃料电池。除了电功率和产物水之外，在燃料电池中总是还会产生一定量的余热，所述余热是不期望的并且按照现有技术通过液体冷却介质由燃料电池的区域导出。典型地，液体冷却介质由至少一个冷却剂输送装置在冷却回路中输送并且一方面流过燃料电池以用于吸收余热并且另一方面流过热交换器，该热交换器作为散热器用于将吸收的余热例如导出到环境中。

特别是在伴有氢气的情况下运行燃料电池时，燃料电池和燃料电池系统内的气体泄漏是一个很大的安全风险，这是因为由氢气和环境空气的氧气可以产生能够点燃的或者甚至具有爆炸性的混合物。特别是在燃料电池自身的区域中，在损坏情况下可以导致气体、特别是氢气转移到液体冷却介质中。典型地，燃料电池构成为电池单体组。电池单体一般平板状地构成并且具有平板状元件用于对正极室和负极室进行限制，所述平板状元件配设有气体通道。该结构可以例如通过以下方式得到完善：将所述平板设置成极相反、其背面彼此相对，其中，在各个平板之间保留用于冷却介质的空间。自然同样可以考虑备选的结构，其中，相邻的电池单体在极相反的情况下交替地堆叠。而且在该结构中通常的是，在限制电池单体的平板的区域中设有用于液体冷却介质的空间或流体通道。如果现在导致在这样的平板的区域中的不密封性或者平板断裂，那么气体可以或者由燃料电池的负极室和/或正极室渗入到液体冷却介质中。气体随后由液体冷却介质和冷却剂输送装置引导通过冷却回路的系统并且典型地在某一时刻到达补偿容器中，该补偿容器对于在停止温度与运行温度之间冷却介质的体积补偿是必要的。该补偿容器一般与环境连通。在该路径上，气体随后到达环境中并且在那里在必要情况下——特别是如果涉及氢气——形成能够点燃的混合物。因此必须在补偿容器的区域中或在补偿容器与环境连接的区域中在通常的结构的情况下设有氢气传感器，以便可以排除可能的安全风险。这在传感器自身、用于传感器的布线以及数据的分析处理方面是重要的、昂贵的并且易于发生故障的。

发明内容

在此，本发明的任务现在在于，提出一种用于冷却燃料电池的方法，该方法避免了所述缺点，并且该方法以简单且有效的方式并且在不需要如传感器或诸如此类的易于发生故障的构件的情况下实现了燃料电池的安全和可靠的运行。

按照本发明，所述任务通过具有在权利要求1的特征部分中的特征的方法来解决。

在按照本发明的方法中规定，将所述冷却剂输送装置的功率消耗与预设的参考值进行比较，以便通过所述功率消耗与所述预设的参考值的偏差对所述液体冷却介质中的气体进行识别。现在，使用冷却剂输送装置来代替在冷却回路中在补偿容器的区域中的高成本的、昂贵的和易于产生故障的传感器，所述冷却剂输送装置必须在任何情况下都存在，以便识别在所述液体冷却介质中的气体。为此，将所述冷却剂输送装置的功率消耗与相应的参考值进行比较。如果在冷却剂输送装置的区域中出现气泡和气体聚集，那么冷却剂输送装置将需要较少的功率或者其功率消耗可能波动，这是因为输送气体所需的能量相比于输送液体冷却介质所需的能量更少。通过与相应参考值的比较，可以因此简单并且可靠地检测到冷却介质中的气体。那么，该气体可以总是不仅源于负极室的区域并且相对地说是非危险的空气或者贫氧空气，或者该气体可以源于正极室的区域并且是氢气。不依赖于在液体冷却介质中存在何种气体，在液体冷却介质中原则上存在气体的现象始终表示在燃料电池自身的区域中出现不密封性。这在任何情况下都是燃料电池的严重故障，该故障需要相应的应对措施，并且例如按照本发明的方法的一个特别优选的改进方案保证了燃料电池的紧急切断。在任何情况下，如果气体是氢气，则防止了该氢气流出到环境中并且因此防止了潜在的危险。

按照本发明的方法原则上总是可以得到应用。按照本发明的方法的一个特别优选的改进方案规定，从所述冷却剂输送装置的转速超过冷却剂输送装置的额定转速的30%、优选超过40%时开始对所述功率消耗进行分析处理。原则上总是可以检测当在冷却介质中出现相关量的气体时出现功率消耗的波动。然而，从大约额定转速的30%、尤其是大约额定转速的40%的转速起，所述检测借助于简单和有效的方式这样良好和可靠，即可以在此相应简单和有效地设计按照本发明的方法的应用。因为在冷却循环的运行中冷却剂泵的转速在几乎所有情况下都在所述界限之上，所以通过该在于冷却介质中气体的检测方面已简化的、用于识别功率波动的设计能实现燃料电池的安全和可靠的运行。

原则上可以在冷却剂输送装置的每种驱动方式下检测功率消耗。然而这可能相应地是高成本的。因此，在按照本发明的方法的一个特别有益和有利的改进方案中，电驱动所述冷却剂输送装置。特别地在这样的电驱动的冷却剂输送装置中非常简单和有效的是，检测电功率消耗并且与预设的参考值进行比较，以便对液体冷却介质的区域中的气体进行检测。

此外，在按照本发明的方法的一个有利的改进方案中可以设定，将所述参考值预设为参考曲线。在一个相应有利的改进方案中可以相应地将参考值参数化，例如根据所述冷却剂输送装置的转速或者特别是也根据所述冷却介质的压力和/或温度。那么可以预设不同的参考曲线，从而当功率消耗由于液体冷却介质中的气体而发生变化时不会损害由于冷却介质中运行条件、压力条件和/或温度条件发生变化而引起的冷却剂输送装置的功率消耗中的波动的可靠性。

此外，在按照本发明的方法的另一非常有利的设计方案中规定，用于产生电驱动功率的燃料电池使用在至少部分电驱动的车辆中。特别是在车辆中安全要求相应地高。因此，环境空气和氢气中的能够点燃的或爆炸性的混合物可能危害到例如在车辆中的乘客。此外，因为车辆是可移动的，所以车辆在途中经常处于下述情况下，即，周围有其他车辆和/或人员或者车辆驶入到在车辆之外具有人员的环境中。对这些人员的危害应该同样安全且可靠地得到排除，从而按照本发明的方法的非常简单的、低成本的并且可靠的安全监控特别是在车辆中是特别有利的。

在此，可以将本发明的意义上的车辆理解为在陆地上、在水中或空中的所有运输工具。在此，该运输工具可以是有轨或无轨的并且在此可以例如用于个人运输和/或货物运输、在短途运输中或作为物流运输工具应用。该车辆可以通过车辆驾驶员或者无驾驶员地驱动。

附图说明

按照本发明的方法的其它有利的设计方案由其余的方法从属权利要求得出并且根据实施例明确说明，随后参照附图对该实施例进行详细描述。

唯一的所附的附图示出了一个车辆中极其简化的燃料电池系统的示意图。

具体实施方式

在所附的唯一附图中,可以在非常强示意性的视图中看到燃料电池系统1。在此，燃料电池系统1设计用于安装在标明的车辆2中。燃料电池系统1的核心是燃料电池3，其应该示例地设计为PEM燃料电池。燃料电池3在其内部基本上具有三个相互分离设置的空间，它们在通常的结构中分别在电池单体中实现，所述电池单体然后堆叠为一个燃料电池组、即所谓的堆。随后通过相应的导线元件或集流器将燃料电池堆3的电池单体的各个空间相互连接。在此，图中示出的空间在电池单体的例子中为正极室4、负极室5以及由液体冷却介质流过的空间6，该空间也可以称为冷却用热交换器。通过自身已知的方法和方式通过空气输送装置7给负极室5提供空气作为氧气供应。例如通过压力调节和定量装置9给正极室4提供来自压缩空气存储器8的氢气。未使用的氢气和贫氧的剩余空气随后通过相应的管路离开燃料电池。随后典型地，剩余氢气通过催化单元或诸如此类被消耗或者其可以在回路中绕正极室4被引导。因为这对于在此描述的本发明不是进一步相关的，所以不再进一步显示。自然，燃料电池系统1的外围可以相比于在此示例性地示出的那样显著更复杂地构成。

与本发明相关的仅仅是燃料电池3的由液体冷却介质流过的空间6以及用于液体冷却介质的冷却回路10。在此，该冷却回路10极其简化地示出并且应该在此仅仅用于燃料电池3自身的冷却。当然可能的是，通过冷却回路10也相应地对燃料电池系统1内的或者配备有燃料电池系统1的车辆2中的另外的构件进行冷却。此外，在此未示出的旁通管路可以例如绕过燃料电池3中由液体冷却介质流过的空间6而存在，以便影响冷却。在冷却回路10中现在流动的是液体冷却介质，典型地为水和防冻剂的混合物。该液体冷却介质由冷却剂输送装置11在冷却回路10中循环并且在冷却用热交换器12的区域中被冷却，在此冷却用热交换器示例性地表示为车辆散热器，其具有选择地支持流通的风扇13。随后经冷却的冷却介质流过燃料电池3的空间6并且在那里吸收燃料电池3的余热，这些余热在冷却用热交换器12的区域中又被排出到环境中。如已经提及的，可以设有附加的结构，例如旁路、体积补偿容器和诸如此类。因为这些对于本发明不是进一步相关的，所以出于附图的简化省去其显示。

在此，冷却剂输送装置11（其也称为冷却剂泵或泵）应该在所示的实施例中由电机14电驱动。在此，该冷却剂输送装置根据在燃料电池3的空间6中的需要的冷却功率例如以不同的转速驱动。为了确保冷却剂输送装置11的经调节的驱动，在冷却回路10中典型地存在温度传感器。两个这样的温度传感器15示例性地沿流动方向设置在燃料电池3的空间6之前和之后。除了冷却剂输送装置10的转速的变化之外还可能的是，通过绕相应的构件的旁路以相应的阀装置控制不仅空间6的流通而且还控制冷却用热交换器12的流通，以便根据旁路相应调节混合温度。这对于本发明也不是进一步相关的并且由一般的现有技术是已知的。因此同样省去了阀装置和旁路管路的显示。

现在是这样的：在燃料电池3的区域中可能出现在各个空间之间的不密封性。特别是限制燃料电池堆3的电池单体的板的所谓的板断裂可能导致这样的不密封性。当氢气从正极室4渗入到用于液体冷却介质的空间6中时是特别危急的。但是空气也从负极室5渗入到空间6中的液体冷却介质中作为燃料电池3的不密封性对于其功能而言是危急的。为了可以现在简单、快速和可靠地识别这样的危急事件，在燃料电池系统1的在此示出的结构中设定，相应地如此设计用于冷却剂输送装置11的电机14的电机控制装置16，即，比较冷却剂输送装置11的总归检测到的功率消耗与预设的参考值，该参考值特别是以参考曲线的形式呈现。

由一般的现有技术已知用于记录适合的参考曲线的不同方法。例如可以相应地记录多个结构相同的用作冷却剂输送装置11的泵的功率消耗。为此，记录特定泵在其整个可能的转速范围内的功率消耗。在此，对于随后的参考曲线而言，在干运转/无润滑运转（Trockenlauf）时的功率消耗、也就是最小可能的功率消耗以及在常规运行中节气门关闭时的功率消耗、也就是在“正常运行”中最小的功率消耗具有首要意义。随后对为特定的泵类型所测量的曲线进行平均，那么由此产生用于泵的特定结构类型的参考曲线。该参考曲线可以特别是根据冷却剂输送装置11的转速、但是也根据在冷却介质中的压力和/或温度被相应地参数化，其中特别是在任何情况下都要检测温度以用于控制冷却。参考值或者总结为参考曲线的参考值允许，对于在控制装置16中实现的方法流程随后非常安全和可靠地确定：是否冷却剂输送装置11如所期望的那样工作或者是否在功率消耗中存在偏差。在功率消耗中的这样的偏差可以随后通过识别出的偏差的特性相应地进行分析处理。特别有意义的是一种这样类型的分析处理，即可以识别到在液体冷却介质中的气体的存在。这样的气体可以典型地仅仅当在燃料电池3的一个或两个空间4、5与燃料电池3的流过液体冷却介质的空间6之间出现不密封性时在液体冷却介质中出现。通过冷却剂输送装置11的这样的气泡识别或干运转识别可以因此简单、有效并且在未在补偿容器的区域中应用易于产生故障的氢气传感器的情况下或者在冷却回路10中的气体没有从补偿容器的区域逸出的情况下安全并且可靠地推断出液体冷却介质中的气体。由此不仅可以保护冷却剂输送装置11自身，而且保护燃料电池3免于受到进一步损坏，特别是其中实现了燃料电池系统1的紧急切断。这一方面提高了燃料电池系统1的涉及的构件的安全性和寿命，这是因为避开了冷却剂输送装置10和燃料电池3的进一步损坏，并且另一方面提高了位于车辆2的周围环境中或在车辆2自身中的人员的安全性。

发明者已经证实，在较低转速范围中在参考曲线与测量的曲线之间的区别甚至当出现干运转时非常小。因此，在该范围内非常难以实现允许对干运转可靠检测的可靠比较。然而如果在检测期间泵转速大于冷却剂输送装置11的额定转速的大约40%，那么可以非常简单和有效地在冷却剂输送装置11的区域中实现这样的干运转识别。然而这在燃料电池系统1的冷却回路10的常规运行中典型地几乎总是这样。那么可以非常可靠并且高效地识别高于大约每分钟2升的气体输入的气体泄漏。该方法在此与在冷却回路10与周围环境的连接的区域中相应的气体传感器相比更简单、成本更低并更不容易发生故障。此外，可以直接实现对冷却剂输送装置11的有效保护，这由于在气体进入到液体冷却介质中与检测到该气体进入到液体冷却介质中之间的时间延迟通过传感器是不可能实现的。

Claims (9)

1.一种用于以液体冷却介质冷却燃料电池(3)的方法，其中，被提供给燃料电池的原料和由所述燃料电池导出的产物中的至少一种在运行条件下是气态的，其中，借助于冷却剂输送装置(11)输送冷却介质通过燃料电池(3)，

其特征在于，

将所述冷却剂输送装置(11)的功率消耗与预设的参考值进行比较，以便通过所述功率消耗与所述预设的参考值的偏差对所述液体冷却介质中的气体进行识别，从所述冷却剂输送装置的转速超过冷却剂输送装置(11)的额定转速的30％时开始对所述功率消耗进行分析处理。

2.根据权利要求1所述的方法，

其特征在于，

在识别气体时实现冷却回路(10)和/或燃料电池(3)的紧急切断。

3.根据权利要求1或2所述的方法，

其特征在于，

电驱动所述冷却剂输送装置(11)。

4.根据权利要求3所述的方法，

其特征在于，

在用于驱动所述冷却剂输送装置(11)的电机(14)的控制装置(16)中实现对冷却剂输送装置(11)的功率消耗与参考值的比较。

5.根据权利要求1或2所述的方法，

其特征在于，

将所述参考值预设为参考曲线。

6.根据权利要求1或2所述的方法，

其特征在于，

根据所述冷却剂输送装置(11)的转速预设不同的参考值。

7.根据权利要求1或2所述的方法，

其特征在于，

根据所述冷却介质的压力和/或温度预设不同的参考值。

8.根据权利要求1或2所述的方法，

其特征在于，

用于产生电驱动功率的燃料电池(3)使用在至少部分电驱动的车辆(2)中。

9.根据权利要求1所述的方法，

其特征在于，从所述冷却剂输送装置的转速超过冷却剂输送装置(11)的额定转速的40％时开始对所述功率消耗进行分析处理。