CN110651390B - 用于识别能量转换器系统中的泄露的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于识别能量转换器系统(1)中的泄露的方法，所述能量转换器系统包含气体，其中，在所述能量转换器系统(1)中使用用于调节气体压强的压强调节器(3)，所述压强调节器(3)具有气体计量阀(4)，并且所述方法包括以下步骤：a.测量所述压强调节器(3)的输入压强(10)并且测量所述压强调节器(3)的输出压强(12)；b.测量所述能量转换器系统(1)的输出参量(16)并且基于所述能量转换器系统(1)的输出参量(16)来计算所述能量转换器系统(1)中的气体需求；c.基于所述压强调节器(3)的所测量到的输入压强(10)和所述压强调节器(3)的所测量到的输出压强(12)来确定通过所述压强调节器(3)的第一计算流量(20)；d.基于所述气体需求来确定通过所述压强调节器(3)的第二计算流量(22)；e.通过由所述第一计算流量(20)和所述第二计算流量(22)形成第一比较值(24)来比较所述第一计算流量(20)与所述第二计算流量(22)；f.确定第一极限值(26)并且当所述第一比较值(24)的量值大于所述第一极限值(26)时产生错误信号(32)。

Description

用于识别能量转换器系统中的泄露的方法
技术领域
本发明涉及一种用于识别能量转换器系统中的泄漏的方法，所述能量转换器系统包含气体，其中，在能量转换器系统中使用用于调节气体压强的压强调节器，并且所述压强调节器具有气体计量阀。
背景技术
尤其在能量转换器系统——例如燃料电池，其包含危险材料(例如氢气)——的情况下，能量转换器系统的密封性具有重要的意义。
燃料电池是将连续供给的燃料和氧化剂的化学反应能量转换成电能的伽凡尼电池(galvanische Zelle)。因此，燃料电池是电化学能量转换器。在已知的燃料电池的情况下，尤其将氢气(H2)和氧气(O2)转换成水(H2O)、电能和热。
电解装置是一种电化学能量转换器，其借助电能将水(H2O)分解为氢气(H2)和氧气(O2)。
此外，已知质子交换膜片(Proton-Exchange-Membran＝PEM)燃料电池。质子交换膜片燃料电池具有中心地布置的膜片，该膜片对于质子、即氢离子是可穿透的。由此，氧化剂、尤其空气中的氧气在空间上与燃料、尤其氢气分离。
此外，质子交换膜片燃料电池包括阳极和阴极。燃料被供给给燃料电池的阳极并且在释放电子到质子的情况下被催化地氧化。质子穿过膜片到达阴极。所释放的电子从燃料电池导出并且通过外部的电路流至阴极。
氧化剂被供给给燃料电池的阴极并且该氧化剂通过接收来自外部的电路的电子和已经穿过膜片到达阴极的质子反应成水。将如此产生的水从燃料电池中导出。总反应是：
O2+4H++4e-→2H2O
在此，在燃料电池的阳极与阴极之间施加电压。为了提高电压，可以将多个燃料电池机械地相继地布置成燃料电池堆叠并且电连接。燃料电池堆叠也称为堆(Stack)。
在包含气体的能量转换器系统中，经常使用机械的、被动的减压器和压强调节器，并且也越来越多地使用借助脉冲宽度调制进行控制的气体计量阀。
能量转换器系统可以包括控制单元，控制单元具有压强调节器。压强调节器通常在输入侧具有输入压强并且在次级侧具有输出压强。借助控制单元的控制装置通常测量压强调节器的输出压强并且将其调节到期望值，所述输出压强在燃料电池中使用压强调节器的情况下优选地相应于阳极压强。
在没有由于气体减少(Gassenken)而继续计量气体的情况下，压强调节器的在次级侧上的输出压强降低。气体减少本质上可能不同并且尤其通过气体消耗——例如通过将氢通过质子交换膜片(PEM)转移到阴极来消耗燃料电池中的氢——通过借助吹扫阀或排放阀进行冲刷或通过能量转换系统中的不密封性而引起。由所使用的阀的已知特性可以求取通过吹扫阀或排放阀的气体流出量。气体消耗可以例如在燃料电池中通过测量所产生的电流来直接求取。能量转换器系统的不密封性通常不能够令人满意地求取出。
通常，能量转换器系统中的不密封性例如通过循环的压强保持测试或通过外部的气体传感器、在燃料电池中尤其通过在燃料电池的外部、尤其在燃料电池之上的氢传感器来求取。
DE 10 2006 023 433 A1描述一种压强调节器，所述压强调节器包括多个阀级以便提高调节器的降低比例并且特别适用于燃料电池系统的阳极输入侧。借助流量控制压强调节器进行压强调节，其中，膜片装置设置有双重膜片。当第一膜片允许氢气通过时，可以在氢气到达第二膜片和压强调节器的空气侧之前探测到泄漏。
DE 102 31 208 A1描述用于研究燃料电池系统的一种方法和一种设备。所述方法或所述设备设计用于检查：燃料电池系统在阳极侧和/或阴极侧上是否气体密封和/或在燃料电池系统的阳极侧与阴极侧之间是否存在泄漏。将检验混合物供给给燃料电池系统的阳极侧并且在阀关闭的情况下观察：所填充的检验压强是否随时间而不允许地下降。这例如可以借助可以连接到外部控制装置的压强传感器来实施。此外，可以使用流量测量装置进行泄漏检验，其中，填充燃料电池系统直至确定的检验压强并且然后以流量测量装置来测量检验气体是否溢流以将检验压强保持在设定的水平。
现有技术的方法的缺点是，必须在所期望的运行以外执行单独的压强测试或者需要附加的气体传感器。
发明内容
提出一种用于识别能量转换器系统中的泄露的方法，所述能量转换器系统包含气体，其中，在所述能量转换器系统中使用用于调节气体压强的压强调节器，所述压强调节器具有气体计量阀，并且所述方法包括以下步骤：
a.测量所述压强调节器的输入压强并且测量所述压强调节器的输出压强；
b.测量所述能量转换器系统的输出参量并且基于所述能量转换器系统的输出参量来计算所述能量转换器系统中的气体需求；
c.基于所述压强调节器的所测量到的输入压强和所述压强调节器的所测量到的输出压强来确定通过所述压强调节器的第一计算流量；
d.基于所述气体需求来确定通过所述压强调节器的第二计算流量；
e.通过由所述第一计算流量和所述第二计算流量形成第一比较值来比较所述第一计算流量与所述第二计算流量；
f.确定第一极限值并且当所述第一比较值的量值大于所述第一极限值时产生错误信号。
优选地，能量转换器系统包括至少一个燃料电池，所述至少一个燃料电池包括阳极和阴极。多于一个燃料电池优选地布置为燃料电池堆。进一步优选地，气体包含氢气。更优选地，气体由多于40重量百分比、更优选地多于90重量百分比、并且特别优选地多于95重量百分比的氢气组成。
优选地，输出参量表示由能量转换器系统产生的电流。尤其在燃料电池中，所产生的电流直接取决于气体消耗，从而可以基于可取用(abnehmbar)的电流求取气体消耗。
优选地，压强调节器的输出压强相应于燃料电池的阳极压强，特别优选地，压强调节器的输出压强等于燃料电池的阳极压强。
优选地，气体计量阀包括喷射器。压强调节器的输入压强优选是5巴至30巴、更优选是10巴至20巴。
有利地，借助脉冲宽度调制来控制所述压力阀。所述脉冲宽度调制优选地具有时钟，并且在步骤c)中，基于所述压强调节器的所测量到的输入压强、所述压强调节器的所测量到的输出压强和所述时钟来实施通过所述压强调节器的所述第一计算流量的确定。
优选地，步骤b)中的气体需求包括基于能量转换器系统的输出参量计算出的气体消耗并且包括吹扫气流(Purgestrom)。能量转换器系统可以包括吹扫阀，当所述吹扫阀打开时气体可以通过所述吹扫阀漏出到周围环境中。在确定能量转换器系统中的气体需求时可以考虑有意漏出的气体——其称为吹扫气流，以便避免由于吹扫气流而错误地产生错误信号。为此，可以将吹扫气流作为校正项包括到能量转换系统的气体需求的计算中。
对于在计算气体需求时考虑吹扫气流替代地，只要吹扫阀打开就可以中断用于识别泄漏的方法的执行。优选地，用于识别泄漏的方法的执行的中断可以限制在最大持续时间。例如，用于识别泄露的方法的中断可以限制在10秒作为连续的时间间隔和/或限制在每分钟20秒的总和。
压强调节器具有描述压强调节器的物理参量的相互相关性的特征曲线。因此，通过压强调节器的流量可以表示为输入压强的、输出压强的和必要时脉宽调制的时钟的函数。通过压强调节器的精确制造和所使用的压强调节器的认识，对于本领域技术人员而言，压强调节器的特征曲线已知。可以通过测量要使用的压强调节器来匹配和优化对压强调节器的功能进行建模的特征曲线(即流量的理论描述)的准确性，并且因此也可以匹配和优化第一计算流量的确定。优选地，通过将另外的参数引入到理论模型中来进行优化。
优选地，借助闭环调节首先与特征曲线不相关、即与当前的输入压强、输出压强和必要时时钟无关地实现压强调节器的输出压强的调节。
为了确定第一计算流量，将特征曲线并且因此将通过压强调节器的预期的流量作为输入的压强、输出压强的和必要时脉冲宽度调制的时钟的函数进行建模。优选地，脉冲宽度调制的控制值进入到用于确定第一计算流量的特征曲线中。
优选地，通过冗余的或所监测的传感机构来测量压强调节器的输入压强和/或输出压强。
此外，求取能量转换器系统的当前运行状态。为此，确定通过压强调节器的第二计算流量，有利地将可能的气体减少加到第二计算流量。气体需求——即能量转换器系统中的气体减少的总和——优选地由气体消耗和吹扫气流组成。优选地，检测吹扫阀的状态，其也可以称为吹扫阀的位置，从而该信息可以被包括在步骤d)中的第二计算流量的确定中。可以由吹扫阀的在能量转换器系统中、尤其控制单元中已知的位置以及由吹扫阀的特性、尤其吹扫阀的流动速率来求取吹扫气流。优选地，气体消耗由能量转换器系统的输出参量、尤其由燃料电池的输出电流来计算。
将第一计算流量与第二计算流量进行比较，所述第一计算流量由基于输入压强、输出压强和必要时时钟的建模来求取，所述第二计算流量描述能量转换器系统的当前运行状态。在这些流量值彼此偏差超过所定义的第一极限值的情况下，产生错误信号。优选地，所述错误信号触发警告的输出或能量转换器系统的运行方式的变化、尤其气体供给的关断。
有利地，第一极限值是能量转换器系统的阳极压强的、阴极压强的和/或另外的特定参数——例如能量转换器系统的寿命、气体温度或有利地由能量转换器系统所包括的外部通风装置的设定——的函数。替代地，可以选择固定值作为第一极限值。
有利地，通过形成第一计算流量与第二计算流量之间的差来形成第一比较值。在形成第一比较值的情况下，可以考虑输入压强的绝对值和/或输出压强的绝对值、优选输出压强的绝对值。
优选地确定第二极限值，在一个时间间隔上检测第一比较值，并且由在所述时间间隔(其例如可以是1秒)上检测到的第一比较值形成第二比较值。此外，优选仅仅当第二比较值的量值大于第二极限值时才在步骤f)中执行错误信号的产生。
可以例如通过形成第一比较值的函数在时间上的积分来形成第二比较值。所述方式也可以称为积分去抖动的执行。
通过与第二极限值的比较，可以在动态过程中补偿系统的短期偏差并且可以避免错误信号的错误产生。在能量转换器系统实际密封的情况下，不符合情况的错误信号看作错误的。
本发明的优点
根据本发明的方法允许在连续的运行中识别和量化能量转换器系统中的泄漏、尤其燃料电池系统中的阳极的不密封。为此，求取用于通过压强调节器的流量的两个可比较的参量，而不需要单独的流量测量器。此外，可以省去用于确定气体、尤其用于探测在燃料电池系统以外的氢气的外部传感机构。能够实现泄漏的更准确的诊断以及更少维护的系统。
附图说明
根据附图和以下描述更详细地阐述本发明的实施方式。
图1示出能量转换器系统的和压强调节器的流程图；
图2示出根据本发明的方法的流程的示意图。
具体实施方式
图1示出能量转换器系统1，所述能量转换器系统具有燃料电池系统2，所述燃料电池系统包括阳极5和阴极7。阳极5包含气体、尤其氢气，其压强通过压强调节器3来调节，所述压强调节器包括气体计量阀4。在阳极5之前测量压强调节器3的输出压强12。此外，能量转换器系统1包括吹扫阀8。
图2示意性地示出根据本发明的方法的流程。首先，测量压强调节器3的输入压强10和输出压强12，此外，已知压强调节器3的气体计量阀4的脉冲宽度调制的时钟14。借助压强调节器3的特征曲线作为理论模型，由输入压强10、输出压强12和必要时时钟14来确定第一计算流量20。
此外，优选地对于确定第一计算流量20的每个时刻测量能量转换器系统1的输出参量16，尤其测量燃料电池系统2的所产生的电流作为输出参量16。
必要时求取吹扫气流18，其由吹扫阀8的特性和状态已知。
由输出参量16和必要时吹扫气流18确定第二计算流量22，所述第二计算流量与第一计算流量20通过形成第一比较值24进行比较，所述第一比较值例如表示第一计算流量20与第二计算流量22之间的差。此外，将第一比较值24与第一极限值26比较，所述第一极限值可以是固定的或与输出压强12、尤其能量转换器系统1的阳极压强、阴极压强或另外的特定参数相关。
如果第一比较值24的量值大于第一极限值26，则产生错误信号32。必要时可以通过如下方式来阻止错误信号32的产生：在一个时间间隔上检测第一比较值24并且形成第二比较值28，所述第二比较值与第二极限值30相比较。如果第二比较值28小于第二极限值30，则不产生错误信号32。
本发明不限于在此描述的实施例和其中强调的方面。而是在通过权利要求书说明的范围内能够实现各种修改，这些修改都处于本领域技术人员的能力范围内。

Claims (9)

1.一种用于识别能量转换器系统(1)中的泄露的方法，所述能量转换器系统包含气体，其中，在所述能量转换器系统(1)中使用用于调节气体压强的压强调节器(3)，所述压强调节器(3)具有气体计量阀(4)，并且所述方法包括以下步骤：
a.测量所述压强调节器(3)的输入压强(10)并且测量所述压强调节器(3)的输出压强(12)；
b.测量所述能量转换器系统(1)的输出参量(16)并且基于所述能量转换器系统(1)的输出参量(16)来计算所述能量转换器系统(1)中的气体需求；
c.基于所述压强调节器(3)的所测量到的输入压强(10)和所述压强调节器(3)的所测量到的输出压强(12)来确定通过所述压强调节器(3)的第一计算流量(20)；
d.基于所述气体需求来确定通过所述压强调节器(3)的第二计算流量(22)；
e.通过由所述第一计算流量(20)和所述第二计算流量(22)形成第一比较值(24)来比较所述第一计算流量(20)与所述第二计算流量(22)；
f.确定第一极限值(26)并且当所述第一比较值(24)的量值大于所述第一极限值(26)时，产生错误信号(32)，
其中，借助脉冲宽度调制来控制所述气体计量阀(4)，所述脉冲宽度调制具有时钟(14)，并且在所述步骤c)中，基于所述压强调节器(3)的所测量到的输入压强(10)、所述压强调节器(3)的所测量到的输出压强(12)和所述时钟(14)来实施通过所述压强调节器(3)的所述第一计算流量(20)的确定。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述能量转换器系统(1)包括至少一个燃料电池，所述至少一个燃料电池包含阳极(5)和阴极(7)，并且所述气体包含氢气。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述输出参量(16)表示由所述能量转换器系统(1)产生的电流。
4.根据权利要求2或3所述的方法，其特征在于，所述压强调节器(3)的输出压强(12)相应于所述燃料电池的阳极压强。
5.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，所述压强调节器(3)的输入压强(10)是5巴至30巴。
6.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，在所述步骤b)中的所述气体需求包括基于所述能量转换器系统(1)的输出参量(16)计算出的气体消耗并且包括吹扫气流(18)。
7.根据权利要求2至3中任一项所述的方法，其特征在于，所述第一极限值(26)是所述燃料电池的阳极压强的、阴极压强的和/或模型特定参数的函数。
8.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，所述第一比较值(24)是所述第一计算流量(20)与所述第二计算流量(22)之间的差。
9.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，确定第二极限值(30)，在一个时间间隔上检测所述第一比较值(24)，并且由在所述时间间隔上检测到的第一比较值(24)形成第二比较值(28)，并且仅仅当所述第二比较值(28)的量值大于所述第二极限值(30)时，才在所述步骤f)中执行所述错误信号(32)的产生。
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