CN108292763B - 燃料电池系统的泄漏监控 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于燃料电池系统(200)的泄漏监控的方法(1)，其特征在于，泄漏监控装置在燃料电池系统(200)停止运行之前或期间检测测量值M并且在燃料电池系统(200)重新投入运行期间或之后执行所述泄漏监控。

Description

燃料电池系统的泄漏监控
技术领域
本发明涉及根据独立权利要求的用于燃料电池系统的泄漏监控的方法、用于燃料电池系统的监控的装置和具有根据本发明的装置的燃料电池系统。
背景技术
例如在燃料电池系统中使用减压器或压力调节器。在此，压力调节器例如为了将燃料供应到燃料电池堆而在电池堆入口的前面连接与高压系统上，以便将燃料箱压力(该压力视系统而定可以达到350或700巴)(高压减压器输入压力)降低到例如9至13巴(中压，减压器输出压力)的明显较低的电池堆输入压力。减压器，也就是说压力调节器，因而将高压降低到中压水平。在中压侧，在减压器或压力调节器之后安装泄压阀，该泄压阀应在减压器故障的情况下保护中压系统、尤其是燃料电池堆免受危害。
电池堆入口前的这种安全措施，即在中压区域中在下游连接泄压阀，是必要的，因为减压器是承受老化效应并且被认为比较可能发生故障的部件。被认为是故障模式的例如有爬行式输出压力提高(在系统关闭情况下存在小的泄漏，没有期望的气体流)以及例如突然的输出压力提高，它们在当前被认为是有关系的。在减压器泄漏小的情况下，通过触发泄压阀来降低减压器输出压力侧、即中压区域内的过高的输出压力。但在此会出现以下缺点：
-由于通过泄压阀减少气体流，会有不希望的过程气体或过程流体释放。
-此外，泄压阀因频繁触发而老化，并且本身随着时间推移而变得不密封，导致中压侧的永久性小泄漏低。
-此外，泄压阀的出发可能被忽视或仅能以视觉方式被感知，例如由于保护盖被从泄压阀上吹开。
在此不利的是，在泄压阀触发后和在识别到泄压阀的触发时不发生系统反应或故障存储。因此不可能发生系统反应或在故障存储器中的登记，由于泄压阀安全原因而是被动构件，它不能简单地由控制器或监控器来诊断。
因此，作为监控机构而已知的仅是，在燃料电池系统运行期间监控减压器输出压力侧的次级压力。识别到过高的次级压力导致过程气体或过程流体的气体供应关闭。但是，当控制装置关闭时，此监控机构是不起作用的。在应用于车辆中的情况下，特别是在应用于机动车中的情况下，在机动车的停车阶段期间通常是这种情况。
在压力调节器不密封或者说泄漏的情况下，这首先导致输入压力(略)下降和次级压力提高。通过触发压力调节器下游的泄压阀，输出压力再次下降，不密封的压力调节器继续引导气体。结果是，压力调节器输出压力侧或减压器输出压力侧的输入压力继续下降，直至其与输出压力、即次级压力一致。
此外，系统压力的变化也可能由温度变化引起，例如，当经过运行而变热的车辆停放在较冷的环境中时，或者当冷的车辆仅短时在温暖的环境中运动或者在车辆不运动的情况下车辆周围的环境温度发生改变时。
尽管可以燃料电池系统的数分钟关闭过程中监控次级压力，确切地说是在功能上不再会有更多的气体消耗的阶段。然而，如果在此过程中次级压力下降过多，则可以认为燃料电池系统的构件中存在泄漏。但是，该机构识别不到在持续几分钟的关闭过程中还不会引起可识别到的压力降的微小不密封性。
发明内容
通过独立的方法权利要求，特别是通过独立方法权利要求的特征部分，本发明提出了一种用于燃料电池系统的泄漏监视的方法。此外，根据独立的装置权利要求，本发明提出了一种用于监控燃料电池系统的装置，该装置具有控制装置，根据本发明的方法存储在该控制装置中并且可以有利地在该控制装置上执行。最后，通过另一并列权利要求本，发明提出了一种具有根据本发明的装置的燃料电池系统。
由从属的方法权利要求、说明书和附图得知本发明的其他特征和细节。在此，结合本发明方法所描述的特征和细节当然也对根据本发明的装置和根据本发明的燃料电池系统适用并且反之亦然，从而，关于本发明的各个单个方面的公开内容总是可以相互参照。
根据本发明的用于燃料电池系统的泄漏监控的方法在发明实质意义上规定，泄漏监控装置(尤其仅仅)在燃料电池系统停止运行之前或期间检测测量值M并且(尤其仅仅)燃料电池系统重新投入运行期间或之后检测测量值N，将测量值M和N相互比较。因此，在关闭阶段期间不需要泄漏监控，在该阶段中也不存在来自属于燃料电池系统或由燃料电池系统驱动的动力发生器(例如燃料电池系统，内燃机等)的能量。在此例如应将燃料电池系统、储罐系统和/或内燃机理解为根据本发明的燃料电池系统，其中，特别是使用至少一个压力调节器用于调节燃料。
根据本发明的方法的优点在于，泄漏，例如压力调节器不密封，也能或者刚好在系统关闭-没有任何能量消耗–情况下被识别到或者说可运行，即在燃料电池系统停止运行后直至燃料电池系统重新投入运行前的停机阶段中。在此，在系统关闭情况下，也就是说在燃料电池系统停止运行后直至重新投入运行前的阶段中，可以有利地识别出仅由于温度效应而没有压力调节器泄漏或者说不密封引起的泄压阀触发。此外，利用根据本发明的方法，能够对中压或高压区域上、即对燃料电池系统的中压或高压系统上的系统不密封进行验证。为了能够针对处于燃料电池系统停止运行和燃料电池系统随后重新投入运行之间的停机阶段执行或跨越泄漏监控，有利地在燃料电池系统停止运行之前在燃料电池系统中进行温度测量和压力测量，其中，此时得到的压力和温度测量值被看作测量值M。在此，压力调节器输出压力侧上的输出压力传感器有利地测量输出压力MP1而输入压力传感器在压力调节器入口侧上测量输入压力HP1(测量值M)。补充地，温度传感器有利地测量燃料电池系统中的系统温度T1(测量值M)或iT2(测量值M)，其中，温度传感器可以与输出压力传感器一起例如布置在组合壳体中。
优选地，在燃料电池系统的温度测量和压力测量中测量的测量值T1，MP1和HP1有利地被控制装置获知并根据标准温度nT1(例如20℃)归一化，并且作为归一化值nMP1和nHP1存储在控制装置的非易失性存储器中。在此，将测量的压力值MP1和HP1归一化为根据标准温度nT1归一化的值nMP1和nHP有利地导致根据本发明的方法和根据本发明的装置的识别精度的明显改善。由此避免了由温度效应(例如由冷却系统)引起的不精确性，该不精确性可能导致两位数百分比范围内的压力变化。
有利的是，本发明的方法规定，在燃料电池系统停止运行之后、在燃料电池系统随后重新投入运行期间重复燃料电池系统的温度测量和压力测量，这意味着，在可能再次存在能量消耗时，此时系统的动力发生器优选再次提供能量。这意味着，在燃料电池系统再次接通后检测在燃料电池系统再次接通时或者说重新投入运行时主导的压力和温度。在此，有利地将在燃料电池系统随后重新投入运行期间测量的温度测量值和压力测量值T2，MP2和HP2(也被称为测量值N)根据与标准温度nT1有偏差的燃料电池系统实际温度iT2归一化为iMP2和iΗΡ2。这意味着，对在重新投入运行时检测到的压力值和温度值T2，MP2和HP2也进行温度校正，即有利地为了避免在燃料电池系统重新投入运行时测量的压力值MP2和HP2的不准确性。实际温度iT2在此应理解为，在系统重新投入运行时占主导的、实际的温度。如果例如归一化值nMP1和nHP1被根据20℃的标准温度nT1校正，则当燃料电池系统在例如5℃的温度重新投入运行时可以避免基于由温度效应引起的压力变化而引起的测量不准确性，其中，在所选的例子中，标准温度nT1与实际温度iT2偏差15℃。因此，偏离标准温度nT1地根据实际温度iT2来归一化压力测量值MP2和HP2也有利地导致根据本发明的方法和根据本发明的装置的识别精度的改善。
有利地，优选借助控制装置将根据与标准温度nT1有偏差的燃料电池系统实际温度iT2归一化的测量值iΜΡ2和iΗΡ2与存储的测量值nMP1和nHP1进行比较。有利地，通过比较经温度校正的测量值nMP1和nHP1与在系统再次接通时测得并根据实际温度iT2归一化的测量值iΜΡ2和/或iHP2，例如识别燃料电池系统的流体损失。如果例如燃料电池系统的中压侧和高压侧在技术上是密封的，则在经过典型的停机阶段(例如过夜)后不会发生可识别到的压力降，这通过可以测量值nMP1和nHP1与测量值iMP2和iHP2的比较来确认。
然而，如果在比较测量值nMP1和nHPI与测量值iMP2和iHP2时由此求得的值高于可参数化的最小界限，则可以在系统的停机阶段后在随后系统重新投入运行时归因于气体损失。在此，可以有利地通过校准参数来确定最低限度识别的泄漏速率。
为了实现引起该泄漏速率的泄漏的具体说明，根据本发明方法，有利地在构件输入压力侧上实施输入压力HP1和HP2的感测以及在构件输出压力侧上实施输出压力MP1和MP2的感测，由此可以有利地将燃料电池系统的流体损失定位到构件输入压力侧和/或构件输出压力侧上。通过感测构件输入压力侧上的输入压力HP1，HP2和通过感测构件输出压力侧上的输出压力MP1，MP2，可以将燃料电池系统的流体损失定位到燃料电池系统的中压侧(构件输入压力侧)或高压侧(构件输出压力侧)上。
有利地，利用根据本发明的方法，当经温度校正的输入压力HP2的下降、即通过根据标准温度nT1归一化的输入压力nHP1与根据实际温度iT2归一化的输入压力HP2的比较超过可校准的界限时，可以识别以下情况：
a)如果当前的归一化的输入压力iHP2与存储的输入压力nHP1相比明显低于泄压阀滞后下阈值(在该下阈值处，已触发的泄压阀又关闭)，则气体泄漏归因于对外的部密封性。“明显”意味着，该压差不能用冷却来解释。
例如：在所有环境条件下系统温度肯定在-20℃和+50℃之间。在15巴时触发泄压阀，在13.5巴时重新关闭，温度为323K。冷却到253K导致压力下降到约10.5巴。
Figure BDA0001670056920000051
压力<约10巴不会是(仅)由触发的泄压阀引起。
b)如果当前的归一化的输入压力iHP2和当前的归一化的输出压力iMP2与存储的输入压力nHP1和与存储的输出压力nMP2相比等于泄压阀滞后下阈值(或者说在由于温度效应而可能因此变动的区域内)，则气体损失可能归因于触发的泄压阀，并因此归因于压力调节器或减压器不密封。在这种情况下，如果要故障源的定位更可靠，则可继续进行压力测量。如果在进一步的进程中压力没有继续下降，则气体损失肯定归因于压力调节器或减压器不密封。
c)如果当前的归一化的输入压力iHP2不再与在停机时间HP1经温度校正的nHP1一样高，但仍远高于输出压力iMP2，则已存在所定义的气体损失。该气体损失可能归因于中压部分(中压系统)由于温度升高而压力升高以及由此引起的泄压阀触发。在这种情况下，如果要故障源的定位更可靠，则可继续测量压力HP2和MP2。如果在进一步的进程中压力没有继续下降，则气体损失肯定归因于压力温度效应。
本发明还提出了一种用于监控燃料电池系统的装置，尤其用于在燃料电池系统停止运行之前或期间和在燃料电池系统随后重新投入运行期间或之后进行泄漏监控，其中，该装置具有控制装置，在该控制装置中存储有本发明的方法。有利地，本发明的方法也在控制装置上执行。
此外，本发明提出一种燃料电池系统，具有根据本发明的装置和
-带有压力调节器输入压力侧和压力调节器输出压力侧的压力调节器，其中，流体能够以输入压力HP1或HP2经由所述压力调节器输入压力侧被引入到所述压力调节器中并且在流过所述压力调节器后经由所述压力调节器输出压力侧以输出压力MP1或MP2被从所述压力调节器引出，
-布置在压力调节器输出压力侧上的至少一个泄压阀，
-输入压力传感器，通过该输入压力传感器能够感测所述压力调节器输入压力侧上的输入压力HP1和HP2，
-输出压力传感器，通过该输出压力传感器能够感测所述压力调节器输出压力侧上的输出压力MP1和MP2，
-至少一个温度传感器，通过该温度传感器能够测量燃料电池系统中的温度T1和iT2。
为了在此避免对根据本发明的装置和根据本发明的燃料电池系统的其它优点的重复说明，可参考根据对本发明的方法的有利构型的描述，并且可以全面参考这些内容。
附图说明
从下面对附图中示意性示出的本发明实施例的说明中得知改进本发明的进一步措施。从权利要求、说明书或附图中得出的所有特征和/或优点，包括设计细节、空间布置和方法步骤，既可以单独地、也可以任意组合地对于发明具有实质意义。应该注意的是，附图仅具有描述性特性，不应被认为以任何方式限制本发明。附图示出：
图1根据本发明的装置的实施例，
图2用于描述通过本发明的方法识别不密封的系统的曲线图，和
图3根据本发明的方法识别不密封的压力调节器的曲线图。
在不同的附图中，相同的部分总是设置有相同的参考标号，因此它们通常仅被描述一次。
具体实施方式
图1示出了根据本发明的装置100在燃料电池系统200中的实施例变型的示意图，该燃料电池系统在当前情况下是燃料电池系统300的燃料电池系统100。装置100用于监控压力调节器2。压力调节器2经由压力调节器输入压力侧3与燃料电池系统300的高压系统4在流体技术上连接。压力调节器2通过压力调节器输出压力侧5在流体技术上与燃料电池系统300的中压系统6连接，该中压系统引入燃料电池系统300的燃料电池堆7中。压力调节器2用于使以350到700巴的压力从高压系统4导出的过程气体，即过程流体或者说燃烧气体例如氢气，降低到电池堆输入压力的压力水平，其中，中压系统6中的压力水平有利地在约9至13巴。因此，过程气体通过中压系统6以约9至13巴的压力供给到燃料电池系统300的燃料电池堆7中。在压力调节器输入压力侧3前面的高压系统4中布置有输入压力传感器8，其测量压力调节器2的输入压力侧3上的输入压力HP1和HP2。在中压系统6的压力调节器输出压力侧5上也布置有压力传感器，即输出压力传感器9，其测量过程气体或者说过程流体的输出压力MP1和MP2，该输出压力被压力调节器2从高压系统4的压力水平下调到中压系统6的压力水平。此外，在包围输出压力传感器9的壳体30中布置有温度传感器10，其用于燃料电池系统的温度T1，T2和iT2的温度测量。输入压力传感器8和输出压力传感器9以及温度传感器10都与控制装置20电气和/或电子连接。控制装置20包括存储器25，在该存储器中存储有由输入压力传感器8、输出压力传感器9测得的值HP1和MP1，它们被根据存储在存储器中的标准温度归一化为值nHP1和nMP1。此外，在存储器25中有利地存储有用于最小界限或者说公差阈值的校准参数和根据本发明的方法1，用于将通过对在停止运行时获知的温度值和压力值T1，HP1和MP1与在接着再投入运行时获知的温度值和压力值进行比较所获知的值T2，iT2，HP2和MP2配属给压力调节器2的或燃料电池系统100的功能状态，也就是说例如用于识别燃料电池系统100中、例如压力调节器2中的泄漏。此外有利地在存储器25上存储有用于布置在中压系统6中的泄压阀11的值泄压阀滞后上阈值400和泄压阀滞后下阈值500。如果例如根据实际温度iT2进行了温度校正的输入压力iΗΡ2与存储或者说存放在存储器25上并且根据标准温度nT1进行了归一化或者说温度校正的输入压力nHP1相比下降了，即超过可校准的界限，则可经由控制装置20识别到或报告出自燃料电池系统200的气体损失。
图2示出了用于描述借助与存储的输入压力nHP1相比下降超过可校准的界限的、经过温度校正的输入压力iHP2来识别不密封的燃料电池系统200的曲线图。如果是这种情况，则控制装置20识别到出自燃料电池系统200的气体损失。在该曲线图中，在X轴上绘出时间t而在Y轴上绘出压力P。如可以看到的那样，当前输入压力iHP2明显低于泄压阀滞后下阈值500，在该下阈值处，已触发的泄压阀11再次关闭。在此，根据本发明的方法1通过根据本发明的装置识别到归因于燃料电池系统200对外不密封的气体损失。在Y轴上用500标记了泄压阀滞后上阈值。明显较低的当前输入压力iΗΡ2意味着，存储在控制器20的存储器25上的、在燃料电池系统200停止运行时测得并且根据标准温度nT1被归一化时的、用于输入压力nHP1的值之间的压力差不能通过燃料电池系统200的冷却来解释。如果例如温度iT2在-20℃和+50℃之间，则泄压阀11将在假定泄压阀滞后上阈值500在15巴情况下触发并且在泄压阀滞后下阈值400在13.5巴情况下下在323K再次关闭。燃料电池系统200冷却到253K的实际温度iT2将导致压力下降到大约10.5巴。因而，低于10巴的当前输入压力iHP2可能不只是由于触发的泄压阀11引起。因此推断出燃料电池系统200对外不密封。
图3示出了在当前输入压力iHP2下降和当前输出压力iNP2下降的情况下识别不密封的压力调节器2，这两个压力都等于泄压阀11的泄压阀滞后下阈值400。在此，出自燃料电池系统200的气体损失可能归因于触发了泄压阀11，因此归因于压力调节器11的不密封或者说泄漏。为了补偿压力调节器2的不密封，即为了设定中压系统6中的压力水平，打开和关闭泄压阀11，直到在中压系统6中设定了压力水平，或者压力调节器2的泄漏结束。为了在这种情况下精确地确定压力调节器2上的误差源的位置，有利地通过输入压力传感器8和输出压力传感器9继续进行压力测量。如果在进一步的测量过程中输入压力HP2和输出压力MP2不再下降，则气体损失肯定归因于压力调节器不密封。

Claims (5)

1.用于燃料电池系统(200)的泄漏监控的方法(1)，其特征在于，
泄漏监控装置在燃料电池系统(200)停止运行之前或期间检测第一测量值M并且在燃料电池系统(200)重新投入运行期间或之后检测第二测量值N，
并且将所述第一测量值M和所述第二测量值N相互比较，
其中，在燃料电池系统(200)停止运行之前，以燃料电池系统(200)中的温度测量和压力测量的形式检测所述第一测量值M，
其中，在燃料电池系统(200)的温度测量和压力测量中测得的所述第一测量值M包括第一温度测量值T1，第一输出压力测量值MP1和第一输入压力测量值HP1，这些测量值被根据标准温度nT1归一化并且被作为归一化的第一输出压力测量值nMP1和归一化的第一输入压力测量值nHP1存储在非易失性存储器(25)中，
其中，在所述燃料电池系统(200)随后重新投入运行时，通过所述燃料电池系统(200)的温度测量和压力测量来检测所述第二测量值N，
其中，在燃料电池系统(200)随后重新投入运行期间测得的所述第二测量值N作为第二温度测量值T2，第二输出压力测量值MP2和第二输入压力测量值HP2被根据燃料电池系统(200)的与标准温度nT1有偏差的实际温度iT2归一化为归一化的第二输出压力测量值nMP2和归一化的第二输入压力测量值nHP2，
其中，将根据燃料电池系统(200)的与标准温度nT1有偏差的实际温度iT2校正后的输出压力测量值iMP2和校正后的输入压力测量值iΗΡ2与存储的所述归一化的第一输出压力测量值nMP1和所述归一化的第一输入压力测量值nHP1进行比较，
其中，通过将存储的进行了温度校正的所述归一化的第一输出压力测量值nMP1和所述归一化的第一输入压力测量值nHP1与在系统重新接通时测量并且进行了温度校正的所述校正后的输出压力测量值iMP2和所述校正后的输入压力测量值iHP2进行比较来识别所述燃料电池系统(200)的流体损失。
2.根据权利要求1所述的方法(1)，其特征在于，通过感测构件输入压力侧(3)上的所述第一输入压力测量值HP1和所述第二输入压力测量值HP2和通过感测构件输出压力侧(5)上的所述第一输出压力测量值MP1和所述第二输出压力测量值MP2来将燃料电池系统(200)的流体损失具体定位到构件输入压力侧(3)和/或构件输出压力侧(5)上。
3.用于监控燃料电池系统(200)的装置(100)，具有控制装置(20)，在该控制装置中存储有根据权利要求1或2所述的方法(1)。
4.根据权利要求3所述的装置(100)，其特征在于，所述装置(100)构造成用于在所述燃料电池系统(200)停止运行之前或期间和在所述燃料电池系统(200)随后重新投入运行期间或之后进行泄漏监控。
5.燃料电池系统(200)，具有根据权利要求3或4所述的装置(100)和
-带有压力调节器输入压力侧(3)和压力调节器输出压力侧(5)的压力调节器(2)，其中，流体能够以输入压力HP经由所述压力调节器输入压力侧(3)被引入到所述压力调节器(2)中并且在流过所述压力调节器(2)后经由所述压力调节器输出压力侧(5)以输出压力MP被从所述压力调节器引出，
-布置在压力调节器输出压力侧(5)上的至少一个泄压阀(11)，
-输入压力传感器(8)，通过该输入压力传感器能够感测所述压力调节器输入压力侧上的输入压力HP，
-输出压力传感器(9)，通过该输出压力传感器能够感测所述压力调节器输出压力侧上的输出压力MP，
-至少一个温度传感器，通过该温度传感器能够测量燃料电池系统中的温度T。
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