CN110178255B - 用于确定燃料电池堆的密封性的方法 - Google Patents

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Abstract

本文公开的技术涉及一种用于确定燃料电池堆的密封性或用于减少燃料电池堆劣化的方法。该方法包括下述步骤：在相对于阴极子系统的其它部件气密的阴极室(K)中提供燃料，该阴极室至少部分地由燃料电池堆形成。

Description

用于确定燃料电池堆的密封性的方法
技术领域
本文公开的技术涉及一种用于确定燃料电池堆的密封性的方法以及一种用于启动燃料电池系统的方法。这种燃料电池系统是已知的。
背景技术
已知解决方案的缺点在于：在燃料电池系统启动时有可能在燃料电池堆中形成所谓的氧氢锋面(Front)，其可导致燃料电池的劣化。此外，需要借助简单的措施相对可靠地检查燃料电池堆和必要时其它部件的密封性，且优选在此无须延迟燃料电池系统的启动。
为了最小化燃料电池堆的劣化，在燃料电池系统关闭时，消耗燃料电池堆中的氧气。对此的常见措施是在停车期间用氢气对阳极加压。但不能有针对性地用氢气通过膜对阴极加压。相反，必须等待较长时间，直到氢气通过渗透到达阴极侧。系统因此是迟滞的。停车期间的这种加压会相对复杂并且因此易出故障且会需要相对多的能量。另外，驾驶员可能不在附近并且在发生故障时无法获知可能的警告。
发明内容
本文公开的技术的优选任务是，减少或消除已知解决方案的至少一个缺点。优选任务尤其是在于可靠并且也优选迅速地检测可能的泄漏和/或在停车期间更简单并且也优选更节能地减少燃料电池的劣化。其它优选任务可由本文公开的技术的有益效果产生。
所述任务通过一种用于确定燃料电池堆的密封性的方法解决，其包括下述步骤：
在相对于阴极子系统的其它部件气密的阴极室中提供燃料，该阴极室至少部分地由燃料电池堆形成，其中，阳极子系统通过至少一个燃料管路与阴极室连接，使得燃料能通过所述至少一个燃料管路从阳极室流入阴极室中，并且使得通过所述至少一个燃料管路在阳极室和阴极室之间产生压力平衡；并且
检测至少一个表示阴极室中压力变化的值，其中，在考虑阴极室中的阴极测试压力高于燃料电池堆外部压力的情况下检测阴极室中的压力。
本文公开的技术涉及一种用于确定燃料电池系统的燃料电池堆的密封性的方法。
本文公开的技术尤其是涉及一种用于具有至少一个燃料电池的燃料电池系统的方法以及为该方法构造的燃料电池系统。燃料电池系统例如用于移动应用、如机动车，尤其是用于为至少一个用于机动车行进的驱动机器提供能量。在其最简单的形式中，燃料电池是电化学能量转换器，其将燃料和氧化剂转化为反应产物并在此产生电和热。燃料电池包括通过离子选择性或离子渗透分离器隔开的阳极和阴极。阳极被供应燃料。优选的燃料有：氢、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有：
Figure GDA0003330707020000021
Figure GDA0003330707020000022
和
Figure GDA0003330707020000023
燃料电池系统除了所述至少一个燃料电池外还包括可在所述至少一个燃料电池运行时使用的外围系统部件(BOP部件)。通常多个燃料电池组合成一个燃料电池堆或组。
燃料电池系统包括阳极子系统，其由燃料电池系统的燃料引导部件构成。阳极子系统可包括至少一个压力容器、至少一个油箱截止阀(＝TAV)、至少一个减压器、至少一个通向阳极入口的阳极供应管路、燃料电池堆中的至少局部地由燃料电池堆形成的阳极室A、至少一个远离阳极出口的阳极排气管路、至少一个水分离器(＝AWS)、至少一个阳极吹扫阀(＝APV)、至少一个主动或被动燃料再循环输送器(＝ARE或ARB)和/或至少一个再循环管路以及其它元件。阳极子系统的主要任务是，将燃料引入和分配到阳极室的电化学活性表面上并排出阳极排气。阳极子系统还可包括阳极侧的堆截止阀。阳极侧的堆截止阀构造用于相对于燃料源(通常是至少一个压力容器)并且相对于燃料电池系统的其它部件、如借助阳极吹扫阀相对于阴极子系统来封闭阳极室和必要时其它部件。
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构成。阴极子系统可包括至少一个氧化剂输送器、至少一个通向阴极入口的阴极供应管路、至少一个远离阴极出口的阴极排气管路、至少局部地由燃料电池堆形成的阴极室K、阴极侧的堆截止阀以及其它元件。阴极子系统的主要任务是将氧化剂引入和分配到阴极室的电化学活性表面上并排出氧化剂。
本文公开的方法包括下述步骤：
-在相对于阴极子系统的其它部件气密的阴极室中提供燃料，该阴极室至少部分地由燃料电池堆形成；并且优选
-检测至少一个表示阴极室中压力变化的值，在考虑阴极室中阴极测试压力高于燃料电池堆外部压力的情况下检测阴极室中的压力。
优选地，相对于阴极子系统的其它部件气密的阴极室(下文简称“气密阴极室”或“阴极室”)由燃料电池堆和设置在燃料电池堆中或与其直接相邻设置的阴极侧的堆截止阀形成。“与燃料电池堆直接相邻”在此情况下表示在相应截止阀和燃料电池堆之间不设置燃料电池系统的其它系统部件。一个例外在此是后面提到的燃料供应管路的通入部位。尤为有利的是，在阴极侧的堆截止阀和燃料电池堆之间的管路长度与阴极子系统的其它管路长度相比较短。例如在阴极侧的堆截止阀和燃料电池堆之间的管路长度可小于阴极子系统的总管路长度的15％、小于其10％或小于其5％。“气密”在此情况下表示通过堆截止阀或通过堆密封件的泄漏可忽略不计。阴极子系统的其它部件是指阴极子系统的除气密阴极室组成部分之外的所有部件。因此，阴极侧的堆截止阀将气密阴极室与阴极子系统的其余部分分开。优选，至少在检测压力变化期间并且也优选在向阴极室中提供燃料期间和/或之后，阴极侧的堆截止阀关闭。特别优选，阴极侧的堆截止阀可构造成燃料密封的。在已知解决方案中，对阴极侧的堆截止阀的密封性具有较低的密封性要求。
“提供燃料”尤其是不意味着燃料从燃料电池的阳极侧经由燃料电池的离子选择性分离器到达燃料电池的阴极侧，例如方式为燃料流过膜通孔或扩散通过膜。燃料尤其是可通过通入阴极室中的燃料供应管路被供应到阴极室。燃料供应管路可直接通入燃料电池堆中或燃料电池堆和阴极侧的堆截止阀之间。特别优选燃料供应管路是阳极吹扫管路，其与阳极子系统的阳极吹扫阀流体连接并且通入燃料电池堆中或在燃料电池堆上游和/或下游通入气密阴极室中。
尤其是阳极子系统可通过至少一个燃料供应管路这样与阴极室连接，使得通过所述至少一个燃料管路在阳极室和阴极室之间产生压力平衡。有利的是，阴极和阳极之间的这种压力平衡相对快地进行，无需首先为此通过膜进行气体交换。因此，密封性测试可更快速地进行。尤其是阴极室和阳极室通过所述至少一个燃料供应管路这样流体连接，使得燃料可从阳极室流入阴极室，只要不通过阀中断该流体连接。这种压力平衡尤其是可
-在向阴极室中提供燃料期间和/或之后进行；和/或
-在检测压力变化期间进行。
特别优选可在检测压力变化期间在阳极室和阴极室之间产生持续的压力平衡。在此有利的是，关闭阴极侧的堆截止阀。另外，优选同时关闭阻断通向燃料源的流动路径的阳极侧的堆截止阀。因此，没有额外的燃料可到达该关闭的堆截止阀下游的阳极子系统，同时也没有另外的氧化剂可流入气密阴极室中。因此，避免了阴极室和阳极室中由化学反应引起的压力变化。
根据本文公开的技术，可在检测压力变化之前，向气密阴极室中提供或引入至少如此多的燃料，使得所有存在于气密阴极室中的氧化剂可化学转化。例如在PEM燃料电池中氢气和空气中的氧将在气密阴极室中转化为水。有利的是，该反应可在开始检测压力变化之前进行。
对至少一个表示阴极室内压力变化的值的检测可以以各种方式实现。例如可直接或间接地确定阴极室内压力的压力变化。例如可想到确定与压力直接相关的其它量。压力变化在此可通过所确定的在阴极测试压力与实际测量压力之间的压力差或实际测量压力本身来表示。这些值可在一定时间后、如5秒、10秒、15秒、20秒、25秒、30秒、1分钟或2分钟后确定。这些值优选也可在一定的时间段内连续或间断地确定。
通常这样选择阴极室和/或阳极室的测试压力、特别是阴极室中的阴极测试压力和本文公开的阳极测试压力，使得其高于阴极室外部、尤其是燃料电池堆或燃料电池系统外部的压力。优选阴极测试压力大于环境压力。例如测试压力可具有高于环境压力或大气压约50KPa至约500kPa的值、优选高于环境压力或大气压约100KPa至约300kPa的值。例如测试压力可高于环境压力或大气压约50kPa、100kPa、150kPa或200kPa。
至少在开始检测压力变化时可这样调节阳极室和阴极室中的压力，使得阳极室中的压力基本上等于阴极室中的压力。“基本上”在此情况下表示阴极室和阳极室中压力之间的差异对于密封性测试可忽略不计或可能因系统结构不可避免。
本文公开的技术还包括下述步骤：在压力平衡之后关闭阳极侧的堆截止阀，并且检测至少一个表示阳极室内压力变化的值。作为表示阳极室内压力变化的值在此可使用与阴极室相同的值、尤其是可直接或间接检测的压力值或压力差。阳极室中的阳极测试压力也高于其余阳极子系统或燃料电池系统中的压力。阳极测试压力尤其是高于环境压力或大气压。优选阳极测试压力具有与阴极测试压力相同或相似的值。在一种特别优选的实施方式中，阴极测试压力等于阳极测试压力。
表示压力变化的值的检测可以以下述方式进行：i)在经过确定时间之后在阴极测试压力和于阴极室中实际检测到的压力之间进行额定值与实际值比较；和/或ii)在经过确定时间之后在阳极测试压力和阳极室中实际检测到的压力之间进行额定值与实际值比较。
因此有利地，阴极室的密封性可与阳极室分开地分析。因此可有利地更精确地定位泄漏部位。
本文公开的方法还可包括下述步骤：在阳极吹扫阀关闭并且阴极侧的堆截止阀关闭时，使阳极室承受比阴极室更大的压力，并且检测至少一个表示阳极室内压力变化的直接或间接值。为此也可使用已经提到的值。由此可附加地测试燃料电池堆中是否存在泄漏的离子渗透分离器或阳极吹扫阀是否泄漏。特别优选该步骤可在将燃料引入阴极室之前或在阴极室和阳极室之间的压力平衡之前进行。
特别优选在机动车的非使用阶段期间测试密封性。优选在预测使用机动车之前测试密封性，例如在预测使用之前10分钟或20分钟或30分钟或1小时测试密封性。如果在用户想要启动机动车辆时已经测试了密封性，则可缩短启动时间。
替代或附加地，也可在开始非使用之后直接测试密封性，例如作为燃料电池系统关闭过程的组成部分或在燃料电池系统关闭之后直接进行。有利的是，可在机动车用户还在机动车附近时向其通知可能的泄漏。特别优选可同时惰化阴极室。以此至少可减少在燃料电池系统的下一次启动期间在阳极室中形成氢氧锋面的可能性。
此外，用于密封性测试的燃料同时用于惰化阴极室。
机动车的使用阶段是机动车的用户(主动)使用机动车的阶段。因此例如机动车的行驶运行通过用户进行或(部分)自主进行。
机动车的非使用阶段是机动车的行驶功能未激活的阶段。换句话说，非使用阶段例如是(较长的)时间间隔，在该时间间隔期间，机动车不主动接收来自用户的(行驶)指令，该指令要求燃料电池或机动车运行。例如当机动车停放时就是这种情况。但在机动车的非使用阶段中，燃料电池系统可自主运行，以便例如
-避免或减少通过机动车的某些燃料消耗功能对燃料电池系统造成不可逆的损伤(＝保护功能；例如燃料电池系统运行用于转换低温压力容器排出气体)；和/或
-使机动车的预空气调节功能或舒适功能为机动车的下一次使用做准备(例如乘客舱的空调、蓄电池充电等)。
还可规定，密封性测试是自主运行的组成部分或与之直接相连。
用于预测机动车使用时间的方法对于燃料电池系统的运行和机动车其它部件的运行都是已知的，例如在机动车启动之前对乘客舱进行预空气调节。
本文公开的技术还包括用于启动燃料电池系统的方法。该方法可包括下述步骤：只有在检测到的压力变化小于压力变化极限值时才启动燃料电池系统。压力变化或压力变化极限值例如可以是压力值或压差值。
本文公开的技术还包括用于减少燃料电池堆劣化的方法。它包括下述步骤：在相对于阴极子系统的其它部件气密的阴极室中提供燃料，该阴极室至少部分地由燃料电池堆一并形成，优选在阴极室中提供至少如此多的燃料，使得所有存在于阴极室中的氧化剂可转化。换句话说，在气密阴极室中提供燃料本身已经在燃料电池劣化方面具有优势，且无需为此检测压力曲线。
换句话说，本文公开的技术涉及一种压力保持方法，其可在启动和关闭过程的范围中实施。阳极吹扫气体的混合点设置在阴极排气管路的压力保持阀(＝燃料电池下游的背压阀或阴极侧的堆截止阀)之前。阳极排气的混合点因此也由压力保持阀封闭，由此可附加地提高安全性。本文公开的技术允许在系统关闭时有针对性地用氢气对阴极或阴极室K加压。这能实现系统的更长寿命，而无需再次对阳极加压，这优选应避免。而且也可因此更快速地通过压力保持进行更精确的密封性测试，因为可在很大程度上消除阳极和阴极之间常见的氢气渗透。因此可有利地识别堆截止阀之间的管路损坏或泄漏。此外，通过该方法可借助压力诊断来识别泄漏的阳极吹扫阀。尤其是压力保持阀或压力控制阀可比传统的截止阀设计得更密封，传统截止阀仅在一定程度上气密。
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是一种燃料电池系统的示意图；和
图2是另一种燃料电池系统的示意图；和
图3是本文公开的用于确定燃料电池堆的密封性的方法的流程示意图。
具体实施方式
图1示出燃料电池系统，其构造用于实施本文公开的方法。图1和2中未示出的是用于实施本文公开的方法的控制器。尤其是这样的控制器，其可以构造用于也在机动车的非使用阶段期间实施本文公开的方法。
燃料电池堆300在此示意性被分成两部分，其中一部分形成阳极室A并且第二部分形成阴极室K。燃料电池堆300在此高度简化示出。实际上燃料电池堆300通常包括数百个单燃料电池，它们分别具有通过离子可渗透的分离器隔开的阴极和阳极。
阴极子系统包括：
-氧化剂输送器410，其吸入并压缩氧化剂(在此为空气)；
-氧化剂输送器410下游的增压空气冷却器420，其冷却压缩的氧化剂；
-旁路460，其在燃料电池堆300上游分支出并且在燃料电池堆下游通入排气管中；
-阴极侧的第一堆截止阀430或者说阴极截止阀，其设置在燃料电池堆300上游；和
-阴极侧的第二堆截止阀440，其设置在燃料电池堆300下游。
阴极侧的堆截止阀430、440与燃料电池堆300直接相邻地设置。在第一堆截止阀430和燃料电池堆300之间在此通入阳极吹扫管路239，该阳极吹扫管路在此开始于阳极吹扫阀或吹扫阀238。
阳极吹扫阀238在此构造在水分离器232上或与其相邻。阳极吹扫阀238也可称为燃料电池堆300下游的阳极侧的堆截止阀238。
阳极子系统在此还包括:
-至少一个燃料源(在此用“H2”表示)；
-至少一个阳极侧(第一)堆截止阀211，其设置在燃料电池堆300上游并且构造用于中断燃料源与其余阳极子系统之间的流体连接；
-至少一个喷射器234，其构造用于将再循环气体送入阳极供应管路中；和
-至少一个燃料再循环输送器，其设置在再循环管路中并且输送待再循环气体。
阳极侧的堆截止阀211也可与燃料电池堆300的阳极入口直接相邻地设置，尤其是在没有再循环的实施方式中。
图2示出与图1类似的结构。区别在于图2示出燃料供应管路239，其在燃料电池堆300下游通入阴极室K中。
这两个附图的共同点是，阴极侧的堆截止阀430、440与燃料电池300的局部区域一起形成阴极室K，该阴极室相对于阴极子系统的其余部件气密地分离。同样，阳极侧的堆截止阀211、238在此也与燃料电池300的局部区域一起形成阳极室A，该阳极室可相对于阳极子系统和/或阴极子系统的其它区域封闭。根据在此所示的设计，经由阳极吹扫阀238可中断阳极室A和阴极室K之间的流体连接。
图3示意性示出本文公开的、用于确定燃料电池堆的密封性的方法的一种实施方式。该方法从步骤S100开始。在步骤S200中激活阳极的压力调节。阳极的压力调节调节阳极室A中的压力。在步骤S300中关闭阴极侧的堆截止阀430、440。在步骤S400中打开阳极吹扫阀238。由此在阳极室A和阴极室K之间产生压力平衡，且阳极的压力调节在此基于通过燃料供应管路239的流体连接既影响阳极室A中的压力也影响阴极室K中的压力。在步骤S500中检查阴极室K中的压力pK0是否等于阳极室A中的压力pA。优选为此在阴极室K和阳极室A中分别设置压力传感器，所述压力传感器将表示相应室内压力的信号发送到燃料电池系统或机动车的控制器。如果这些压力不基本相等，则在步骤S600中检查对于该压力调节是否已超过某个超时时间或死区时间tt。如果超过该死区时间，则可在步骤S610中确定不允许系统启动。替代或附加地，可在步骤S610中向用户或第三方(如服务控制中心)发出相应警告。如果尚未超过死区时间，则重复步骤S500。如果已在阴极室K和阳极室A之间基本上建立了压力平衡，则在步骤S700中停止阳极的压力调节。为此例如可关闭阳极截止阀211。在步骤S800中检测阴极室K中并且必要时也检测阳极室A中的压力变化。压力变化的检测例如可通过阴极室K中或阳极室A中的压力传感器进行。特别优选使用两个压力传感器，一个压力传感器检测阴极室K中的压力变化并且另一压力传感器检测阳极室A中的压力变化。为此可规定，在检测压力变化期间关闭阳极吹扫阀238。压力变化的检测由此可以以下述方式进行，即在经过确定时间之后在测试压力、尤其是阴极测试压力或阳极测试压力和(在那里分别)实际检测到的压力之间进行额定值与实际值比较。作为替代方案，该额定值与实际值比较也可在一段时间内连续进行。在步骤S900中检查检测到的压力差ΔpK是否小于或等于尚允许的极限压力差。如果是这种情况，则在步骤S1000中允许燃料电池系统的系统启动。如果不是这种情况，则在步骤S1100中不允许系统启动。替代或附加地，可向用户或第三方发出警告。
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。

Claims (12)

1.用于确定燃料电池堆(300)的密封性的方法，包括下述步骤：
在相对于阴极子系统的其它部件气密的阴极室(K)中提供燃料，该阴极室至少部分地由燃料电池堆(300)形成，其中，阳极子系统通过至少一个燃料管路(239)与阴极室(K)连接，使得燃料能通过所述至少一个燃料管路(239)从阳极室(A)流入阴极室(K)中，并且使得通过所述至少一个燃料管路(239)在阳极室(A)和阴极室(K)之间产生压力平衡；并且
检测至少一个表示阴极室(K)中压力变化的值，其中，在考虑阴极室(K)中的阴极测试压力高于燃料电池堆(300)外部压力的情况下检测阴极室(K)中的压力。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，至少在开始检测压力变化时阳极室(A)中的压力基本上等于阴极室(K)中的压力。
3.根据权利要求1或2所述的方法，还包括下述步骤：在压力平衡之后关闭阳极侧的堆截止阀(211、238)，并且然后检测至少一个表示阳极室(A)内压力变化的值，其中，在阳极室(A)中的阳极测试压力高于燃料电池堆外部压力的基础上检测阳极室(A)内的压力。
4.根据权利要求1或2所述的方法，包括下述步骤：在阳极吹扫阀(238)关闭并且阴极侧的堆截止阀关闭时，阳极室(A)承受比阴极室(K)更大的压力，并且检测至少一个表示阳极室(A)内压力变化的值。
5.根据权利要求1或2所述的方法，其中，在阴极室(K)中提供至少如此多的燃料，使得所有存在于阴极室(K)中的氧化剂能转化。
6.根据权利要求1或2所述的方法，其中，至少在检测压力变化期间和/或在向阴极室(K)中提供燃料期间，阴极子系统的阴极侧的堆截止阀(430、440)关闭。
7.根据权利要求1或2所述的方法，其中，在机动车的非使用阶段期间测试燃料电池堆的密封性。
8.根据权利要求1或2所述的方法，其中，在预测使用机动车之前测试燃料电池堆的密封性。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，在预测使用机动车之前10分钟或20分钟或30分钟或1小时测试燃料电池堆的密封性。
10.根据权利要求3所述的方法，其中，表示压力变化的值的检测以下述方式进行，即
i)在经过确定时间之后在阴极测试压力和于阴极室(K)中实际检测到的压力之间进行额定值与实际值比较；和/或
ii)在经过确定时间之后在阳极测试压力和于阳极室(A)中实际检测到的压力之间进行额定值与实际值比较。
11.根据权利要求1或2所述的方法，其中，表示压力变化的值的检测以下述方式进行，即
i)在经过确定时间之后在阴极测试压力和于阴极室(K)中实际检测到的压力之间进行额定值与实际值比较。
12.用于启动燃料电池系统的方法，包括根据权利要求1至11中任一项所述的方法，其中，只有在密封性测试期间检测到的压力变化小于压力变化极限值时才启动燃料电池系统。
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