CN108475797B - 用于诊断泄漏的方法以及燃料电池系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于诊断流体系统(1)、尤其燃料电池系统(1)的至少一个第一流体(10)的泄漏的方法(100)，所述方法包括以下步骤：a)提供所述第一流体(10)的运行压力(200)的第一参考梯度(210)，b)求取第一运行点(202)中的所述运行压力(200)的运行梯度(201)，c)通过模型(220)确定所述运行压力(200)的第二参考梯度(211)，其中，所述模型(220)考虑所述第一参考梯度(210)以及所述第一运行点(202)中的至少一个其他的运行参数(221)，d)将所述运行梯度(201)与所述第二参考梯度(211)进行比较。

Description

用于诊断泄漏的方法以及燃料电池系统
技术领域
本发明涉及一种用于诊断燃料电池系统中的泄漏的方法以及燃料电池系统本身。
背景技术
由现有技术已知各种不同的系统，所述系统包含流体，或流体被引入所述系统中。为了将流体保持在这样的流体系统中，这种系统在通常情况下至少部分地密封。由于(例如密封件的)制造公差以及由运行导致的磨损，可能发生系统泄漏并且流体从系统溢出。因此，尤其在安全性重要的系统、例如燃料电池系统的情况下，监控泄漏会是有意义的。为此，经常对确定框架条件下的、确定运行点中的最大允许泄漏值进行定义。因此，在流体系统的使用寿命期间，尤其多次从操作环境中提取运行点，并且在实验室条件下建立之前定义的、具有确定框架条件的运行点，使得可以在所述条件下检测泄漏并且针对最大允许泄漏值检查该泄漏。
发明内容
本发明涉及一种用于诊断燃料电池系统中的泄漏的方法，以及一种燃料电池系统。
本发明的其他特征和细节由说明书和附图得出。在此，已经结合根据本发明的方法描述的特征和细节明显也适用于结合根据本发明的燃料电池系统的描述，反之亦然，使得在各个发明点的公开内容方面始终相互参照或始终能够相互参照。
根据本发明的方法包括步骤a)至d)，所述方法用于诊断流体系统的至少一个第一流体的泄漏、尤其要紧泄漏。根据步骤a)，提供第一流体的运行压力的第一参考梯度。步骤b)包括：求取第一运行点中的运行压力的运行梯度。根据步骤c)，通过模型确定运行压力的第二参考梯度。在此，该模型考虑第一参考梯度以及第一运行点中的至少一个其他的运行参数。根据步骤d)，将第二参考梯度与运行梯度进行比较。
在此，泄漏尤其可以理解为：每时间单位内第一流体从流体系统的体积损耗。此外，要紧泄漏可以是如下泄漏：该泄漏可能会对流体系统或周围环境造成危害。然而，如果泄漏出于其他原因(例如对第一流体的消耗的影响)而显得令人感兴趣，则该泄漏也可以是要紧的。用于流体系统的第一流体泄漏的指标尤其可以是运行压力的梯度。在本发明的意义中，梯度可以理解为压力的时间上的变化、尤其随时间推移的压力损耗。换句话说，例如短时间内的大压力损耗、因此尤其压力的高梯度可能是由泄漏引起的。因此，运行压力的第一参考梯度也可以理解为，固定条件下的、单位时间内的压力变化的极限，至该极限，可以将所述条件下的运行梯度分级为非要紧的或要紧的。第一参考梯度例如可以是确定条件下的最大允许压力梯度。为了求取运行压力的梯度，优选可以在一个时间段上在至少两个时刻测量压力，使得由测量点之差与时间段的商得出梯度。在此，所述模型(该模型例如可以是数学函数、尤其分析函数或数值函数)尤其由第一参考梯度以及第一运行点中的一个其他的运行参数形式的至少一个环境条件来确定第二参考梯度。运行点尤其可以包括求取运行梯度期间的时间段。在此，第二参考梯度尤其是实际条件下的、单位时间内的压力变化的极限，至该第二参考梯度，可以将运行梯度分级为非要紧的或要紧的。因此，尤其从要紧泄漏的比较值的确定极限中排除环境条件。由此，对于根据本发明的方法得出如下优点：至少能够在一定极限内、例如在模型适用的温度范围内，在所有运行点中执行泄漏诊断。由此，可以及早识别缓慢进行的泄漏，尤其使得流体系统的维护成本降低。因此，例如可以设置延长维护间隔，从而通过该方法减少了对运行流程的干扰。由于数学基础，该方法例如还可以在计算机程序中自动运行或能够由计算机程序操控。此外，尤其能够简单地测量运行压力的运行梯度，使得可以不需要为了诊断尤其要紧的泄漏而准确定位泄漏位置。此外有利地，对于流体系统，运行压力的第一参考梯度可以一次性地在参考运行点中被定义。在将流体系统提供给最终用户之前，就例如已经可以在实验室条件下执行这种一次性测试，使得尤其能够针对每个制成的产品个性化地确定公差。由此，可以提高该方法的准确性，因为在第一参考梯度中已经考虑到相应的实际制造偏差。
此外，所述流体系统可以涉及燃料电池系统，使得根据本发明的方法可以有利地构造用于诊断燃料电池系统中的泄漏、尤其要紧泄漏。优选地，所述运行压力还可以涉及燃料电池系统的阳极压力。由此，燃料电池系统中的安全性可以显著提高。因此，第一流体例如可以涉及氢，其在燃料电池系统中处于高压力下并且在从燃料电池系统中特别严重地溢出时可能是潜在的危险源。因此，及早识别燃料电池系统中的泄漏是特别值得期望的。
此外可设想的是：在车辆的流体系统中使用所述方法，或流体系统在执行根据本发明的方法期间安装在车辆中。这相应地提高车辆运行时的安全性，尤其由于该方法在实际条件下被执行，因此也能够考虑到实际的环境条件。因此，该方法例如可以在车辆运行中自动触发、例如持续地或以有规律的间隔触发，或在固定的触发功能时(例如在起动前或停车后)触发，或由驾驶员手动触发。替代地或附加地，然而也可以设置：在车间中、例如在检查车辆时执行该方法。优选地，可以在车辆起动时执行该方法，使得减少对运行流程的干扰，并且尤其在可能的危险发生之前就识别之前形成的泄漏。
还可设想的是：在稳定的运行条件下执行根据本发明的方法。因此，例如可以设置，通过关闭至少一个阀来至少部分地关闭流体系统的一个区段。由此，可以将在具有较高安全性的第一运行点中求取的运行压力的运行梯度配属给泄漏。这能够实现提高该方法的准确性，并且因此能够实现流体系统更高的安全性。因此，例如可以将稳定的运行条件理解为：第一流体的流动处于流动平衡中，或者例如不由流体系统的区段中的泵产生第一流体的附加压力。
在本发明的范畴内可以进一步设置，该模型借助第一运行点中的一个其他的运行参数来考虑第二流体的副压力(Nebendruck)。优选地，该副压力可以涉及燃料电池的阴极压力。优选地，第二流体可以理解为气体或液体，其中，第二流体可以特别优选地具有氧。因此，第二流体例如可以涉及空气。鉴于通过模型考虑到副压力，副压力本身、燃料电池系统中的阳极与阴极之间的压力差或与副压力相关的一个其他的参量可以代表所述其他运行参数。因此，通过考虑第二流体的副压力，可以通过模型考虑易于测量的环境参数。尤其阴极压力对结果的准确性有很大影响，使得考虑燃料电池系统中的阴极压力导致该方法的高准确性，并且因此导致燃料电池系统的安全性提高。
有利地，可以在根据本发明的方法的情况下设置，在运行梯度高于或低于第二参考梯度的情况下进行错误响应(Fehlerreaktion)。因此，例如可以发生如下警报报告：需要一个其他的、尤其更准确的测试，或者可以关闭系统。这可以提高流体系统的安全性。
有利地，在根据本发明的方法的情况下，该模型可以借助第一运行点中的一个其他的运行参数来考虑流体系统中水冷凝。为此，水冷凝优选可以由水的分压所代表。水冷凝本身、与水的冷凝相关的水的分压或与水的冷凝相关的其他参量尤其可以是所述其他运行参数。取决于外部温度或第一流体的冷却，在测量运行梯度期间或在执行所述方法期间，水蒸气尤其可能会在流体系统中冷凝，其中，所冷凝的水的百分比尤其取决于水的露点。水冷凝又可能导致运行梯度的变化，使得通过模型的考虑使第二参考梯度进一步接近实际条件。由此，可以实现更准确的方法，并且因此可以实现流体系统的更高安全性。
此外可设想的是：在根据本发明的方法的情况下，通过冷却剂冷却第一流体，其中，该模型借助第一运行点中的一个其他的运行参数来考虑冷却剂的温度变化，和/或在至少执行该方法的步骤b)之前关闭冷却装置。在执行方法期间、尤其在求取运行梯度期间，这样的冷却也可能会对运行梯度产生影响，使得相应的压力下降或相应的压力增加不完全归因于泄漏。优选地，冷却剂本身的温度变化或与冷却剂的温度相关的参量可以是所述其他运行参数。因此，通过模型考虑温度变化或通过关闭冷却装置可以实现所述方法的、尤其第二参考梯度的更高准确性，从而流体系统的安全性提高。因此，例如可以降低要紧泄漏的错误判断(的频率。
此外可以设想的是：在根据本发明的方法的情况下，该模型具有反应项，该反应项借助第一运行点中的至少一个其他的运行参数来考虑流体系统内部的化学反应对第二参考梯度的影响。该反应项例如尤其可以理解为：对燃料电池的膜片处的化学反应的数学建模。因此，得出该反应项与温度、氧分压、氢分压和/或类似的运行参数的可能的相关性。优选地，可以将该反应项设置成分析数学函数或设置成一般用于流体系统的产品系列或单个产品的确定的特性曲线族。由此，至少可以考虑第一流体的残余反应对运行压力的运行梯度的影响，并且因此可以实现更准确的结果。这又尤其导致更高的安全性。该反应项尤其可以自身构成所述其他运行参数。
在本发明的范畴内进一步设置，循环地至少重复该方法的步骤b)至d)。由此可以定期检查泄漏，从而提高测量值的样本范围并且因此提高方法的准确性。在本发明的意义中，循环地重复可以理解为如下重复：该重复例如在确定的时间段之后发生。然而优选地，循环地重复也可以理解为：在流体系统的每个运行循环，例如在起动和/或关闭流体系统时，执行该方法的步骤。因此，可以减少运行流程的中断并且可以提供对要紧泄漏的可靠探测。
有利地，可以在本发明的范畴内以顺序a)至d)进行所述方法步骤。然而尤其可设想的是：如果技术上合理，以改变的顺序执行所述方法步骤和/或重复该方法的各个步骤。
根据本发明的另一方面，要求保护一种燃料电池系统，其具有至少一个第一流体以及用于识别至少一个运行压力的至少一个传感器。在此，该燃料电池系统适用于实施根据本发明的用于诊断燃料电池系统中的泄漏的方法。优选地，该传感器涉及压力传感器，使得能够以简单且成本有利的方式和方法求取压力梯度。优选地，燃料电池系统可以涉及车辆的燃料电池系统，使得通过该方法提高车辆的安全性。因此，根据本发明的燃料电池系统带来如下优点：这些优点与在根据本发明的方法方面已经详细描述的优点相同。
附图说明
此外，从对附图中示意性示出的、本发明的几个实施例的以下描述中得出改善本发明的措施。从说明书或附图中得出的所有特征和/或优点(包括结构上的细节、空间布置以及方法步骤)既可以单独地、也可以以各种组合的对于本发明是重要的。在此应注意，附图仅具有描述性特性并且不打算以任何形式限制本发明。附图示出：
图1在第一实施例中示出根据本发明的方法的各个步骤的示意图；
图2a、图2b分别在另一实施例中示出压力梯度随时间变化的曲线图，所述实施例分别具有不同的运行梯度；
图3a-图3d分别在另一实施例中示出在曲线图中对第二参考梯度的建模；
图4在另一实施例中示出根据本发明的方法的模型的示意图；
图5在另一实施例中示出根据本发明的燃料电池系统；
图6在另一实施例中示出具有根据本发明的燃料电池系统的车辆。
在以下附图中，对于不同实施例的相同技术特征使用相同的附图标记。
具体实施方式
图1在第一实施例中示出根据本发明的方法100的步骤a)至d)，其中，根据步骤a)，提供第一流体的运行压力200的第一参考梯度210。例如可以通过测量参考运行点203中的运行压力200的第一参考梯度210来实现所述提供。根据步骤b)，确定第一运行点202中的运行压力200的运行梯度201。根据步骤c)，通过模型220确定第二参考梯度211，该模型考虑根据步骤a)的第一参考梯度210以及至少一个其他的运行参数221。在此，将模型220预给定为数学函数，使得可以使用其他运行参数221和第一参考梯度210来确定第二参考梯度211。根据步骤d)，将运行梯度201与第二参考梯度211进行比较。尤其在如下时间上的压力损耗的情况下触发错误响应212：该压力损耗由高于第二参考梯度211的运行梯度201所表示。由此，可以警告用户存在要紧泄漏。此外，尤其可以至少重复步骤b)至d)，以便例如检查其他运行时刻。
图2a示出针对至少一个其他的运行参数221的压力梯度的曲线图。在此，代表模型220的曲线标记出与相应的运行点相关的相应参考梯度。因此，所示出的曲线图涉及简单的二维图示，其中，在模型220与除了当前情况下的其他运行参数221以外的附加运行参数相关的情况下，多维曲线图也是可设想的。此外，模型220的曲线延伸通过如下点：该点由参考运行点203和第一参考梯度210的组合构成。因此，尤其标记出如下实验条件，在该实验条件下求取到第一参考梯度210。此外，描绘出第一运行点202中的运行梯度201，其中，运行梯度201处于模型220的曲线下方并且因此处于第一运行点202中的第二参考梯度211下方。由此，运行梯度201被如此归类，使得当前的泄漏是非要紧的。所述压力梯度尤其可以涉及压力梯度的量值。图2b示出第一运行点202中的运行梯度201，其中，运行梯度201处于模型220的曲线上方，从而运行梯度201表示第一流体10的要紧泄漏。
图3a至d分别示出模型220与不同影响参量的相关性的不同实施例。为此，这些曲线图分别示出针对一个其他的运行参数221的压力梯度。模型220的曲线不仅包含配属于参考运行点203的第一参考梯度210，而且包含配属于第一运行点202的第二参考梯度211。在参考运行点203与第一运行点202之间，所述其他的运行参数221分别相应地不同。因此，模型220的曲线基于如下数学函数产生：该数学函数考虑参考梯度210以及相应的其他运行参数221。第一参考梯度210在模型220的数学建模中尤其作为常数引入。在图3a中，其他运行参数221涉及阳极与阴极之间的压力差，其中，该压力差相应地与副压力221.1相关，该副压力在燃料电池系统1中相应于阴极压力。图3b示出针对水的分压的压力梯度的曲线图，水的分压与水冷凝221.2相关。相应地，模型220的曲线的数学建模基于第一参考梯度210和水冷凝221.2。因为水冷凝221.2尤其可以通过水的分压被简单测量，所以通过考虑分压来实现模型220与水冷凝221.2的相关性。类似地，在根据图3c的实施例中，通过如下方式来在模型220中对温度变化221.3进行考虑：运行压力200的由温度变化221.3引起的物理变化尤其理论性地、在数学上引入模型220中。相应地，参考运行点203例如也通过温度变化221.3定义，使得第一参考梯度210配属于参考运行点203。图3d在另一实施例中示出模型220的曲线，该模型考虑第一参考梯度210和反应项221.4。反应项221.4尤其应理解为其他数学函数，其例如至少考虑温度的影响以及第一流体10和第二流体11的分压。由此，通过反应项221.4可以在执行方法100期间考虑燃料电池1的化学反应。
图4示出具有不同输入参量的模型220的示意图。因此，模型220与第一参考梯度210、副压力221.1、水冷凝221.2、温度变化221.3以及反应项221.4相关，该副压力例如可以由构型成燃料电池系统1的流体系统1中的阳极与阴极之间的压力差所代表，该水冷凝例如可以由水的分压所代表，该温度变化例如可以由通过温度变化221.3引起的理论压力差所代表，该反应项尤其在数学上代表由于化学反应引起的压力变化。通过考虑这样的重要参量尤其能够实现，通过匹配第二参考梯度211来考虑环境条件对运行梯度201的影响。因此，第二参考梯度211是如下比较参量：该比较参量代表参考运行点203的换算到实际运行点202上的视为要紧的泄漏的极限。
图5在另一实施例中以示意图示出根据本发明的燃料电池系统1。在此，燃料电池系统1具有被供给第二流体11的阴极3以及被供给第一流体10的阳极2。第一流体10与第二流体11在燃料电池系统1中的反应尤其可以产生电压。第一流体10的流动路径还具有两个阀5和一个传感器6。为了建立稳定的运行条件，尤其可以关闭阀5，使得该传感器通过测量一个时间段上的、尤其至少两个时刻的压力来求取运行梯度201。通过关闭阀5，运行梯度201尤其独立于第一流体10在阳极2处的相应区段之外的压力条件。另外还示出，燃料电池系统1通过冷却装置4借助冷却剂12冷却，其中，该冷却装置可以是可关闭的和/或冷却剂12的温度变化是可以是可测量的，使得能够降低冷却剂12对用于诊断燃料电池系统1的泄漏、尤其要紧泄漏的方法100的影响。
图6示出一种具有根据本发明的燃料电池系统1的车辆300。对于燃料电池系统1，尤其可以实施用于诊断要紧泄漏的方法100，其中，方法100能够由车辆300的控制设备301发起并且尤其能够由该控制设备控制。
实施方式的以上阐述仅在示例的范畴内描述本发明。显然，如果技术上合理，那么所述实施方式的各个特征可以在不偏离本发明的范畴的情况下彼此自由组合。

Claims (11)

1.一种用于诊断流体系统(1)的至少一个第一流体(10)的泄漏的方法(100)，所述方法包括以下步骤：
a)提供所述第一流体(10)的运行压力(200)的第一参考梯度(210)，
b)求取第一运行点(202)中的所述运行压力(200)的运行梯度(201)，
c)通过模型(220)确定所述运行压力(200)的第二参考梯度(211)，其中，所述模型(220)考虑所述第一参考梯度(210)以及所述第一运行点(202)中的至少一个环境参数，其中，所述模型(220)借助所述第一运行点(202)中的所述至少一个环境参数考虑第二流体(11)的副压力(221.1)，
d)将所述运行梯度(201)与所述第二参考梯度(211)进行比较。
2.根据权利要求1所述的方法(100)，其特征在于，在车辆(300)中的流体系统(1)中使用所述方法(100)。
3.根据权利要求1或2所述的方法(100)，其特征在于，在稳定的运行条件下执行所述方法(100)。
4.根据权利要求1或2所述的方法(100)，其特征在于，在所述运行梯度(201)高于或低于所述第二参考梯度(211)的情况下进行错误响应。
5.根据权利要求1或2所述的方法(100)，其特征在于，所述模型(220)借助所述第一运行点(202)中的一个环境参数考虑所述流体系统中的水冷凝(221.2)。
6.根据权利要求1或2所述的方法(100)，其特征在于，所述第一流体(10)通过冷却剂(12)冷却，其中，所述模型(220)借助所述第一运行点(202)中的一个环境参数考虑所述冷却剂(12)的温度变化(221.3)和/或在至少执行所述方法(100)的步骤b)之前关闭冷却装置。
7.根据权利要求1或2所述的方法(100)，其特征在于，所述模型(220)具有反应项(221.4)，所述反应项借助所述第一运行点(202)中的至少一个环境参数来考虑所述流体系统(1)内部的化学反应对所述第二参考梯度(211)的影响。
8.根据权利要求1或2所述的方法(100)，其特征在于，循环地至少重复所述方法(100)的所述步骤b)至d)。
9.根据权利要求1所述的方法(100)，其特征在于，所述流体系统(1)是燃料电池系统。
10.一种燃料电池系统，其用于执行根据权利要求1至9中任一项所述的方法(100)，所述燃料电池系统具有至少一个第一流体(10)以及至少一个传感器(6)，所述至少一个传感器用于识别至少一个运行压力(200)。
11.根据权利要求10所述的燃料电池系统，其特征在于，所述燃料电池系统是车辆(300)的燃料电池系统。
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