CN111263884A - 用于探测在流体系统中的泄漏的方法和系统 - Google Patents

用于探测在流体系统中的泄漏的方法和系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于探测在流体系统中、尤其是燃料电池系统中的泄漏的方法，该方法包括以下步骤：求取至少一个第一流体(2)在特定时间段内的流出量、求取第一流体(2)在所述特定时间段期间的预期消耗、求取在所求取的流出量和所求取的预期消耗之间的差以及依据在参考值和所求取的差之间的比较来探测泄漏。

Description

用于探测在流体系统中的泄漏的方法和系统
技术领域
本发明的出发点是根据方法独立权利要求的主题的方法、根据系统独立权利要求的主题的系统以及根据并列的系统权利要求的主题的燃料电池系统。
背景技术
在现有技术中已知用于识别在流体系统中的泄漏的方法和系统。
为此，通常在流体系统的不同区域中布置压力传感器，所述压力传感器能够在合适的运行状态下监测系统压力，并且，能够在静态的和非静态的状态下识别泄漏。在此，在没有气体流动的静态状态下，通常依据快速的压力降来记录漏泄。相反，在流体系统的在存在气流时的持续运行中，只能通过记录在流动平衡中出现过低的压力来探测泄漏。
发明内容
本发明的主题是具有方法独立权利要求的特征的方法、具有系统独立权利要求的特征的系统以及具有并列的系统权利要求的特征的燃料电池系统。本发明的其他特征和细节由相应的从属权利要求、说明书和附图中得出。在此，结合根据本发明的方法所描述的特征和细节当然也适用于结合根据本发明的系统和根据本发明的燃料电池系统，并且反之亦然，使得关于各个发明方面的公开总是相互参考或者总是能够相互参考。
根据独立权利要求的、根据本发明的方法尤其用于探测在流体系统中、优选燃料电池系统中、尤其是PEM燃料电池系统中的泄漏。在此，该方法的优点尤其在于，在流体系统的持续运行中也能够可靠地探测到已经较小的泄漏。这在用于识别泄漏的传统方法中是不可能的。在传统方法中，在活动状态下只能够可靠地识别出中等到大量的泄漏。在此，尤其在PEM燃料电池系统中高的系统密封性是安全关键因素，这是因为氢气是易燃气体并且通常以较大的量存在于PEM燃料电池中。
根据本发明的、用于探测流体系统的泄漏的方法在此优选能够使用在车辆、尤其是燃料电池车辆中。在根据本发明的方法中，首先求取至少一个第一流体在特定时间段内的第一流出量。求取第一流体的流出量在此能够直接或者间接地进行。在直接求取时，例如能够通过料位指示器或者流量计来确定流体流量。根据间接方法，也能够从其他不同的、优选测量出的参数中间接地确定流出量。在此，优选能够自由选择时间段。有利地，与求取第一流体的流出量在同时，与主题相关地
Figure BDA0002464776530000021
求取第一流体的预期消耗。替代于同时求取地，也能够在求取第一流体的流出量之前或者之后求取预期消耗。
但为了在所求取的流出量和所求取的预期消耗之间的尽可能有效力的比较，在这两个求取之间的时间间距优选应当在时间上尽可能地接近、优选是相同的。此外，对于在所求取的流出量或者说所求取预期消耗之间的尽可能有效力的比较来说必需的是，这两个时间段基本上同样长。然而替代地也可能的是，在较短的时间段中确定所求取的两个参量中的一个，只要随后进行到较长的时间段的相应的外推即可。
在求取第一流体的流出量以及求取第一流体的预期消耗之后，与主题相关地能够求取第一流体的、所求取的流出量和所求取的预期消耗的差。在此，该差能够直接来自单个值或者也能够在求取一定数量的值之后才依据求平均的值来实现。在时间上在求取该差之后，接着进行泄漏的探测，该泄漏与主题相关地依据在参考值和所求取的差之间的比较来确定。参考值在此优选是系统相关的恒定值，该恒定值能够考虑可能的测量误差。在假设系统完全密封并且不存在测量误差的理想化情况下，参考值能够是0。在这种情况下也不得能够记录到在第一流体的流出量和预期消耗之间的差。
然而，由于没有系统是完全密封的并且可能的测量误差是不可避免的，所以这能够已经依据恒定参考值被考虑到。这时，在参考值和所求取的差之间的比较能够以不同方式实现。在最简单的情况下，该比较依据在参考值和所求取的差之间的直接差来进行，其中，泄漏尤其是在与参考值的偏差为特定边界值时被探测出。在特别灵活的探测方法——该探测方法能够应用在不同的系统中并且考虑个体化的环境条件——的范畴下，也能够将公差系数或者说公差范围纳入到该探测方法中。在使用公差系数时，例如当偏差和公差系数的乘积超过边界值时才能够探测到泄漏，使得公差系数能够根据外部条件和系统条件来确定。替代地，在使用公差范围时，例如当偏差和公差范围的总和超过边界值时才能够探测到泄漏。此外，为了确保连续检验泄漏，能够以有利的方式设置，周期性重复地执行所讨论的方法的步骤1至4。为了改善该方法的有效性并且也为了提高该方法的精确性，也能够设置，先多次重复该方法的各个步骤，然后才引入相应后续步骤。
有利地，在本发明的范畴中能够设置，至少一个第一流体的流出量的求取至少部分地依据第一流体的压力测量和/或温度测量来进行。依据压力测量和/或温度测量来确定流出量在此不仅保证了简单且灵活地求取流体的流出量，而且同时也保证了精确求取流体的流出量。尤其是就易挥发气体而言，例如依据料位指示器、浮子或者流量计的体积确定常常是有误的，因为根据流体的成分而定该流体的密度在容器内发生变化并且由此体积确定结果会被歪曲。与此相反，借助于压力测量和/或温度测量能够例如在两个不同时刻求取流体体积，并且通过在不同时刻的流体体积的差能够确定流出量。因此，在PEM燃料电池中，例如氢气的流出量能够通过体积差来确定。氢气的体积在此能够如下地组成：
V(H2)＝p/p0*T/T0*V0
P0和T0在此表示大气压(1.013*106Pa)和室温(298.15K)，并且，V0表示罐的净容积。从氢气在两个不同时刻的差体积中得出流出的氢气的(换算为标准条件的)体积，最后能够从该体积中选择性地计算出流出的氢气的物质的量或者说质量。
关于求取第一流体的预期消耗，在本发明的范畴中还能够设置，本发明至少部分地依据所产生的电流和/或依据检测到的从排放阀或者说排气阀流出的流出量和/或依据表征流体系统的参量来进行。特别简单的求取在此尤其是通过从测量出的电流或者说流动的电荷中计算第一流体的预期消耗而实现。在此，相应于反应的化学计量得出流体的消耗。在PEM燃料电池中，例如2库仑的测量出的电荷相应于1摩尔的氢气。物质的量能够相应地被再次换算成相应流体的体积或者说质量。
除了依据测量出的电流或者说流动的电荷来求取之外，为了特别精确地确定第一流体的预期消耗以及预防错误警报，附加地纳入从排放阀或者说排气阀流出的流出量能够是有意义的。能够出现：氢气的一部分在反应时不被转化，对此的示例情况是当前在燃料电池的另一侧上没有添加足够的氧气。在这种情况下，仅由测量出的电流或者说流动的电荷中求取的氢气预期消耗明显小于实际流出，使得在不通过附加地纳入从排放阀或者说排气阀流出的流出量来进行修正的情况下，尽管系统完全密封也会探测出泄漏并且因而触发错误警报。从排放阀或者说排气阀的气体流出能够从阀特性、温度和压力差中确定出，或者在不打开排放阀或者说排气阀的情况下确定出。
为了进一步优化所讨论的方法，在根据本发明的方法的特别精确并且能够同时灵活适配于不同系统的实施方案的范畴中能够设置，第一流体的预期消耗的求取至少部分地依据表征流体系统的参量来进行。在此，表征流体系统的参量能够是恒定的，或者也能够连续或周期性地确定或者说测量出。在此能够是有意义的：纳入表征流体系统的参量尤其是与依据测量出的电流或者说流动的电荷求取第一流体的预期消耗以及纳入从排放阀或者说排气阀流出的流出量结合，以便将系统特定的、流体特定的或者环境条件特定的求取一起纳入到求取中。表征流体系统的参量在系统特定的参量的范畴中例如能够涉及(燃料电池)的电堆模型或者单个电堆，并且，例如能够涉及系统的转化率。在流体特定的参量的范畴下，表征参量例如能够涉及流体的密度或者挥发性、可燃性、易燃性或者毒性。在环境条件特定的参量的范畴下，表征参量例如能够涉及外部温度、外部压力等。
为了在除了最大可能的系统密封性之外还确保尽可能经济的运行，据本发明此外设置了，即使在持续运行时也能够以可靠的方式执行该方法。在持续运行中的可靠的漏泄识别由于尤其是在使用危险物品时的安全相关性而是希望的，所述危险物品例如是高度可燃、高度易燃、高度可引燃或者说危害健康的流体。替代于在持续运行中的可靠的漏泄识别地，在这里否则仅留有在静态状态下的检查。然而，仅在静态状态中能够进行可靠地检查泄漏会严重限制流体系统的运行，因为在所希望的周期性监测可能的泄漏的情况下必须以规律的时间间距中断运行，以便执行可靠的漏泄测试。在本发明的范畴下，小于每连接点和小时100标准毫升、优选小于每连接点和小时50标准毫升、尤其是小于每连接点和小时20标准毫升的较小的泄漏就已识别出被视为可靠的方式。
此外，尤其是为了进一步优化根据本发明的方法的可靠性，能够想到，用于探测泄漏的方法除了第一流体的流出量和预期消耗之外还使用至少一个第二流体的至少一个参数，尤其是第二流体的流出量和/或预期消耗。如果所讨论的、用于探测流体系统的泄漏的方法不包括确定从排放阀或者说排气阀排出的流出量，则纳入第二流体的参数尤其是有意义的。例如通过对第二流体的使用量的认识和对反应的化学计量的认识能够确定：是否在化学计量上已经使用了反应配偶的相同的物质量的比例，从而在反应配偶的物质的量不同时能够修正第一流体的预期消耗。此外，根据本发明能够设置，除了确定第一流体的流出量和预期消耗以及第二流体的至少一个参数之外，为了进一步优化漏泄识别的有效性也能够使用其他参数，例如膜片的水含量和/或引入系统的水含量和/或气体分配器结构的水含量和/或环境温度和/或环境压力等。
有利地，在本发明的范畴下也能够设置，依据所述比较、优选依据在参考值和所求取的在流出量和预期消耗之间的差之间的差，尤其是在超过至少一个边界值时指示故障和/或引入故障消除措施。在此，故障消除措施能够尤其意味着至少部分地关断、尤其是完全关断流体系统。替代于部分或者说完全的系统关断，在超过边界值时在纯粹的故障指示的范畴中也能够设置，利用故障指示首先进行报警，利用该报警来引入另外的、尤其是更精确的测试以探测泄漏。
原则上，根据本发明的方法能够被实施在燃料电池系统的中压侧或者高压侧(中压为约9至13bar/高压约为350至700bar)上，其中，在这里即使是最轻微的泄漏也能够通过这种方法立即检测出。
具有权利要求8的特征的、用于探测在流体系统中、尤其是燃料电池系统中的泄漏的系统同样是本发明的主题。在此与主题相关地设置，系统包括至少一个传感器单元，该传感器单元用于检测参量，以求取至少一个第一流体的流出量。此外，根据本发明的系统具有控制单元，该控制单元用于求取第一流体的预期消耗并且用于求取在所求取的流出量和所求取的预期消耗之间的差。此外，所讨论的系统包括至少一个探测单元，该探测单元用于依据在参考值和所求取的差之间的比较来探测泄漏。因此，根据本发明的系统具有与参照根据本发明的方法已详细描述的优点相同的优点。如同在根据本发明的方法的实施中已经阐述的，所讨论的系统优选设置用于探测流体系统、尤其是燃料电池系统的泄漏。根据本发明的系统的优点尤其在于，借助于该系统能在流体系统的活动状态下对于小的泄漏就已可靠地识别出。为了控制根据本发明的系统，各个系统部件优选通过控制连接件或者说通信连接件而彼此连接。控制连接件或者说通信连接件在此能够至少部分无线地和/或至少部分有线地形成。有利地，控制连接件和/或通信连接件能够通过总线系统、尤其是CAN总线系统而彼此连接。
此外，在本发明的范畴中提出，该系统具有用于指示故障的故障指示单元和/或用于消除故障的故障消除单元，其中，所述故障指示单元、故障消除单元优选在超过边界值时被激活，所述边界值是关于在参考值和从流出量和预期消耗中求取的差之间的差的边界值。在此，振动和/或声学和/或视觉元件能够被设置为故障指示元件。在此，故障指示能够包括例如所有元件或者也能够仅包括单个元件。同样地，也能够由偏差的大小来确定指示元件。在偏差小时能够只进行振动故障指示。在偏差较大时，能够只进行声学故障指示，或者，能够进行振动和声学故障指示。在出现更大的偏差时，则最终能够仅进行视觉故障指示或者进行声学、振动和视觉故障指示。因此，流体系统的操作者能够非常早地获知所识别的泄漏和泄漏的大小。作为故障消除单元，与主题相关地能够设置用于至少部分地、优选完全关断流体系统的紧急停止元件。
本发明的对象还有燃料电池系统、尤其是(燃料电池)车辆的燃料电池系统，该燃料电池系统包括用于执行根据本发明的方法的根据本发明的系统。
本发明的其他优点、特征和细节由在后面的描述中得出，其中，参考附图详细描述了本发明的实施例。在此，在权利要求和说明书中提到的特征能够分别单独地或者以任意组合的方式对本发明来说是重要的。
附图说明
附图示出：
图1根据本发明的、用于探测流体系统的泄漏的系统的示意图；
图2根据本发明的、用于探测流体系统的泄漏的方法的示意图。
在附图中，相同的附图标记用于相同的技术特征。
具象实施方式
图1示出根据本发明的、用于探测流体系统的泄漏的系统1的示意图。系统1包括燃料电池，该燃料电池包括通过膜片16而彼此分离的阳极12和阴极14。为了冷却燃料电池，包括冷却回路20的冷却单元18布置在燃料电池的阴极14侧上。阳极12和阴极14均与膜片16电连接。燃料电池的阳极12在运行中由阳极气体2绕流，该阳极气体在当前情况下是氢气。氢气2布置在容器2a中，该容器具有用于测量当前容器压力的压力传感器8。通过打开截止阀4，氢气气体2首先被引入阳极气体管线22的高压区域22a中。在这里，首先通过布置的压力传感器8和温度传感器10来进行导出的气体2的压力测量和温度测量，然后最终由此确定氢气2的导出量。通过受调控地打开计量阀6，阳极气体2穿流布置在计量阀6后面的、阳极气体管线22的中压区域22b，另外的设计用于中压区域的压力传感器8'布置在该中压区域中以测量当前氢气压力。经由另外的计量阀6，气体最终到达阳极12。
在与阳极气体2对置的一侧引入阴极气体2'，在当前情况下为含氧的新鲜空气。空气2'被吸入并且首先在空气过滤器28中被过滤。空气过滤在此用于保护燃料电池部件免受来自吸入的空气的有害颗粒和气态污染物的影响。在过滤之后，阴极气体2'借助于压缩机26被压缩并且经由截止阀4被引导到阴极气体管线24的高压区域24a中，在该高压区域中——恰好如同在阳极气体管线22中那样——通过布置的压力传感器8和温度传感器10来进行压力测量和温度测量。从所求取的压力值和温度值中，能够类似于确定阳极气体2的流出量地也确定出阴极气体2'的流出量。随后，阴极气体2'经由计量阀6被引入阴极气体管线24的中压区域24b中，另外的设计用于中压区域的压力传感器8'布置在该中压区域中以测量当前阴极气体压力。阴极气体2'最终经由另外的计量阀6被供给到阴极14。在阳极12侧、阴极14侧上布置有导出管线22c、24c，在所述导出管线中压力能够通过压力传感器8"来确定，并且，经由所述导出管线，未消耗的残余气体和反应产物尤其是能够通过所设置的截止阀4'(受控地)导出。在此，在反应时未消耗的阳极气体2优选经由相应的管线被重新供给到系统。
图2示出根据本发明的、用于探测流体系统1的泄漏的方法的示意图，该方法包括步骤40至50。在步骤40、42中，优选在特定时间段内同时求取至少一个第一流体2的流出量以及第一流体2的预期消耗。替代于同时求取，预期消耗也能够在求取第一流体2的流出量之前后者之后被求取，然而在这两个求取之间的时间间距为了在所求取的流出量和所求取的预期消耗之间的尽可能有效力的比较而应当尽可能彼此接近，以便针对两个求取存在尽可能相同的条件。此外，对于在所求取的流出量和所求取的预期消耗之间的尽可能有效力的比较来说必需的是，时间段基本上同样长。然而替代地也可能的是，在较短的时间段中确定所求取的两个参量中的一个，只要随后进行到较长的时间段的相应的外推即可。
在求取第一流体2的流出量和预期消耗之后，在步骤44中由两个参量求差。在此，该差能够直接由单个值进行或者也能够在求取一定数量的值之后才依据求平均的值来进行。
最后，在步骤46中进行在参考值和所求取的在第一流体2的流出量和预期消耗之间的差之间的比较，依据该比较能够辨识泄漏。参考值在此优选是系统相关的恒定值，该恒定值能够考虑可能的测量误差。在假设系统完全密封并且不存在测量误差的理想化情况下，参考值能够是0。在这种情况下也不得能够记录到在第一流体的流出量和预期消耗之间的差。然而，由于没有系统是完全密封的并且可能的测量误差是不可避免的，所以这能够已经依据恒定参考值被考虑到。在参考值和所求取的差之间的比较能够以不同方式实现。在最简单的情况下，该比较依据在参考值和所求取的差之间的差来进行，其中，尤其是在与参考值的偏差达到特定边界值时探测出泄漏。在特别灵活的探测方法——该探测方法能够应用在不同的系统中并且考虑个体化环境条件——的范畴下，附加地也能够将公差系数或者说公差范围纳入到该探测方法中。如果在将参考值与所求取的在流出量和预期消耗之间的差进行比较时求取到超过特定边界值的偏差，则在步骤48或者说50中指示故障和/或引入故障消除措施。如果偏差不超过特定边界值，则重新执行步骤40至46。为了确保连续检验泄漏，尤其有利的是，只要在参考值和所求取的在流出量和预期消耗之间的差之间的偏差没有超过边界值，就周期性重复地执行所讨论的方法的步骤40至46。

Claims (10)

1.一种用于探测在流体系统中、尤其是燃料电池系统中的泄漏的方法，包括步骤：
-求取至少一个第一流体(2)在特定时间段内的流出量；
-求取所述第一流体(2)在所述特定时间段期间的预期消耗；
-求取在所求取的流出量和所求取的预期消耗之间的差；
-依据在参考值和所求取的差之间的比较来探测泄漏。
2.根据权利要求1所述的方法，
其特征在于，
至少一个第一流体(2)的流出量的求取至少部分地依据所述第一流体(2)的压力测量和/或温度测量来进行。
3.根据前述权利要求中任一项所述的方法，
其特征在于，
第一流体(2)的预期消耗的求取至少部分地依据所产生的电流和/或依据检测到的从排放阀或排气阀(4')流出的流出量和/或依据表征所述流体系统的参量来进行。
4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，
其特征在于，
所述方法使用在车辆、尤其是燃料电池车辆中的流体系统中。
5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，
其特征在于，
在燃料电池系统持续运行时能够以可靠的方式执行所述方法。
6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，
其特征在于，
用于探测泄漏的所述方法除了第一流体(2)的流出量和预期消耗之外还使用至少一个第二流体(2')的至少一个参数，尤其是第二流体(2')的流出量和/或预期消耗。
7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，
其特征在于，
依据所述比较、优选依据在参考值和所求取的在流出量和预期消耗之间的差之间的差来指示故障和/或引入故障消除措施，尤其是在超过边界值时指示故障和/或引入故障消除措施。
8.一种用于探测在流体系统中、尤其是燃料电池系统中的泄漏的系统，包括：
-至少一个传感器单元，所述传感器单元用于检测参量，以求取至少一个第一流体(2)在特定时间段内的流出量；
-至少一个控制单元，所述控制单元用于求取第一流体(2)在特定时间段期间的预期消耗并且用于求取在所求取的流出量和所求取的预期消耗之间的差；
-至少一个探测单元，所述探测单元用于依据在参考值和所求取的差之间的比较来探测泄漏。
9.根据权利要求8所述的系统，
其特征在于，
所述系统具有用于指示故障的故障指示单元和/或用于消除故障的故障消除单元，其中，所述故障指示单元和/或故障消除单元优选在超过边界值时被激活，所述边界值是与在参考值和从流出量和预期消耗中求取的差之间的差相关的边界值。
10.一种燃料电池系统、尤其是车辆的燃料电池系统，所述燃料电池系统包括根据权利要求8或者9所述的系统，所述燃料电池系统用于执行根据权利要求1至7所述的方法。
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