CN113169359A - 用于降低在燃料电池堆中的碳腐蚀的方法以及机动车 - Google Patents

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Abstract

在这里公开的技术方案涉及一种用于降低在燃料电池系统的燃料电池堆(300)中的碳腐蚀的方法。所述方法包括如下步骤：i)检测腐蚀值，所述腐蚀值代表在燃料电池堆(300)的非激活阶段期间在燃料电池堆(300)中有概率发生的碳腐蚀的程度；并且ii)基于所述腐蚀值来启动用于降低在燃料电池堆(300)中的碳腐蚀的保护措施。

Description

用于降低在燃料电池堆中的碳腐蚀的方法以及机动车
技术领域
公开的技术方案涉及一种用于降低燃料电池堆的碳腐蚀的方法。在这里公开的技术方案还涉及一种具有燃料电池系统的机动车，其设计成用于，实施在这里公开的方法。
背景技术
这样的燃料电池系统是已知的。先前已知的解决方案的缺点是，在某些情况下可以在燃料电池堆中形成所谓的氢氧前沿，所述氢氧前沿可以导致碳腐蚀并且因此导致燃料电池的退化。当氢气从阳极扩散到阴极或者空气从阴极扩散到阳极时，这样的氢氧前沿可以尤其是在燃料电池系统长时间不激活之后出现。该现象是本领域技术人员已知的。
发明内容
在这里公开的技术方案的优选的任务是，降低或消除先前已知的解决方案的至少一个缺点。尤其地，优选的任务是，至少降低燃料电池在停车时间期间的退化。其他优选的任务可以由在这里公开的技术方案的有利效果得出。所述一个或多个任务通过独立权利要求的内容来实现。从属权利要求形成优选的设计方案。
所公开的技术方案涉及一种降低在燃料电池系统的燃料电池堆中的碳腐蚀的方法，所述方法包括如下步骤：
检测腐蚀值，所述腐蚀值代表在燃料电池堆的非激活阶段期间有概率在燃料电池堆中发生的碳腐蚀的程度；并且
基于所述腐蚀值来启动用于降低在燃料电池堆中的碳腐蚀的保护措施。
在这里公开的技术方案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，以及涉及一种为该方法设置的燃料电池系统。该燃料电池系统例如旨在用于移动应用、例如机动车，尤其是用于为至少一个用于推进机动车的驱动机器提供能量。在燃料电池的最简单的形式中，燃料电池是一种电化学能量转换器，所述能量转换器将燃料和氧化剂转化为反应产物，并且在此产生电和热。燃料电池包括阳极和阴极，所述阳极和阴极被离子选择性的或者说可渗透离子的隔板隔开。阳极被供给燃料。优选的燃料是：氢气、低分子量醇、生物燃料或液化天然气。阴极被供给氧化剂。优选的氧化剂是例如空气、氧气和过氧化物。可选择离子的隔板可以构造为例如质子交换膜(PEM)。优选使用可选择阳离子的聚合物电解质膜。用于这样的膜的材料例如是：
Figure BDA0003092006250000021
和
Figure BDA0003092006250000022
除了所述至少一个燃料电池之外，燃料电池系统还包括外围的系统组件(BOP组件)，在所述至少一个燃料电池运行时可以使用所述外围的系统组件。通常，多个燃料电池组合成燃料电池堆或者说燃料电池堆叠。
燃料电池系统包括阳极子系统，所述阳极子系统由燃料电池系统的引导燃料的结构元件形成。阳极子系统可以具有至少一个压力容器、至少一个储罐截止阀、至少一个减压器、至少一条通至阳极入口的阳极输入管路、在燃料电池堆中至少部分由燃料电池堆形成的阳极室A，至少一个从阳极出口引出的阳极废气管路、至少一个水分离器、至少一个阳极扫气阀，至少一个主动式或被动式的燃料再循环输送器和/或至少一个再循环管路以及其他元件。阳极子系统的主要任务是，向阳极室的电化学活性的面供应和分配燃料以及排出阳极废气。阳极子系统还可以包括在阳极侧的堆截止阀。阳极侧的堆截止阀构造成用于，相对于燃料源(通常是至少一个压力容器)并且相对于阳极子系统的其他组件来闭锁阳极室并且在必要情况下闭锁其他组件。
燃料电池系统包括阴极子系统。所述阴极子系统由引导氧化剂的结构元件形成。所述阴极子系统可以具有至少一个氧化剂输送器、至少一个通至阴极入口的阴极输入管路、至少一个从阴极出口引出的阴极废气管路、至少部分由燃料电池堆形成的阴极室K、阴极侧的堆截止阀以及其他元件。阴极侧的堆截止阀设置成用于，将阴极室K相对于阴极子系统的其他元件闭锁。
阴极子系统的主要任务是，向阴极室的电化学活性的面供应和分配氧化剂和排出氧化剂。
优选地，相对于阴极子系统的其他组件气密的阴极室(下面简化为“气密的阴极室”或“阴极室”)由燃料电池堆和阴极侧的堆截止阀一同形成，所述阴极侧的堆截止阀设置在燃料电池堆中或设置成与燃料电池堆直接相邻。就此而言，“与燃料电池堆直接相邻”意味着：在相应的截止阀和燃料电池堆之间没有设置燃料电池系统的其他系统组件，或者至少没有设置朝外部基本上不气密地密封或不能气密地密封的系统组件。
根据一种在这里公开的方法，检测腐蚀值，该腐蚀值代表在燃料电池堆的非激活阶段期间有概率在燃料电池堆中发生的碳腐蚀的程度。
燃料电池堆的非激活阶段是如下的阶段，在该阶段中，燃料电池堆不能或不需向其他耗电器或电能存储装置提供电能。在燃料电池堆的非激活阶段期间，至少阴极侧的堆截止阀关闭。在一定程度上适宜地，除非正好应将燃料供给给阳极室A，否则阳极侧的堆截止阀也是关闭的。
而机动车的非使用阶段是如下的阶段，在该阶段中，不要运行(即推进)机动车。换句话说，非使用阶段例如是如下的时间段，在该时间段中，机动车不从用户主动获得需要燃料电池或机动车运行的(驾驶)指令。这例如是在机动车停车时的情况。然而，在机动车的该非使用阶段中，可以暂时唤醒燃料电池系统的控制器，以便在时间上限制性地且自给自足地实施机动车的例如控制、保护或舒适功能。例如，可以唤醒控制器，以便在该阶段期间将燃料供给给原本是关闭的阳极室。
腐蚀值代表如果不采取保护措施而有概率发生的碳腐蚀的程度。因此，腐蚀值是直接或间接描述碳腐蚀的程度的预测值。
例如，可以将阴极室K的密封性作为腐蚀值考虑。如果在燃料电池系统的非激活阶段期间在阴极室K和阳极室R之间发生交换过程，则在阴极室K中的压力通常下降。因此，在阴极室K和周围环境之间产生压力差。该压力差可以导致新鲜空气再流动到阴极室K中。可能的碳腐蚀的程度与基于压力差而流到阴极室K中的新鲜空气的量相关。因此，阴极室的尤其是由阴极侧的堆截止阀的密封性确定的密封性可以用作腐蚀值。
适宜地，可以在燃料电池系统的非激活阶段期间并且尤其是在借助于阴极侧的堆截止阀闭锁阴极室K之后根据在阴极室K中压力的实际压力曲线来确定阴极室K的密封性。为此，可以规定，将实际的压力曲线与参考压力曲线进行比较。参考压力曲线例如可以是如下的压力曲线，该压力曲线事先由利用燃料电池堆在使用完好的堆截止阀的情况下的对应的试验来实施。根据实际的压力曲线与参考压力曲线的偏差可以看出，阴极室K的密封性是否符合规定或是否存在故障，例如堆截止阀不密封。
替代性地或附加地，可以利用在这里公开的技术方案来检查阳极室A的密封性。然而，通常使用足够密封的阳极侧的堆截止阀。
优选地，在关停程序(也称为“关机”)结束之后并且燃料电池系统的控制器尚未关断时，检查燃料电池堆的密封性。在此，关停程序包括在驾驶运行结束与机动车停车之间发生的所有方法步骤。
替代性地或附加地，也可以在机动车的运行阶段期间检查燃料电池堆的密封性。例如，可以在仅由至少一个电能存储器提供用于机动车的电功率期间检查密封性。如果例如由高压存储器提供电功率，则燃料电池堆的阴极侧的和阳极侧的堆截止阀可以暂时被关闭。在该状态下，可以根据在这里公开的压力曲线推断燃料电池堆的密封性。
替代性地或附加地，可以规定，据此在将燃料供给到燃料电池堆的阳极室A中期间，在阴极侧的堆截止阀关闭的情况下，在燃料电池堆的非激活阶段期间检测燃料电池堆的至少一个燃料电池的电压，并且然后将该检测到的电压用作用于在这里公开的方法的腐蚀值。燃料的这样的供给用于补偿先前经由可渗透离子的隔板从阳极室A到达阴极的燃料量。适宜地，可以检测一个燃料电池的、多个燃料电池的或整个燃料电池堆的电压。作为电压的替代性方案，还可以经由电池电压监测来检测其他电参量。如果在将燃料供给到阳极室A中期间检测到电压，则该电压可以归因于在燃料氧化剂前沿处产生电势，这表明正发生碳腐蚀。因为在机动车的较长的非使用阶段期间，燃料以一定的时间间隔被重新供给到原本闭锁的阳极室A，所以这样的燃料氧化剂前沿在经过相同长度的另一时间间隔之后将再次引起碳腐蚀。由于该原因，在供给期间检测到的电压对于燃料的下一次供给是合适的腐蚀值。
适宜地，在机动车的非使用阶段期间检测腐蚀值。
在这里公开的方法包括如下步骤，根据该步骤，启动用于降低碳腐蚀的保护措施。在此，该保护措施基于腐蚀值。换句话说，在考虑腐蚀值的情况下采取保护措施。在此，降低碳腐蚀在一定程度上应一同包括避免这样的碳腐蚀。
例如，一种保护措施规定，如果腐蚀值高于腐蚀极限值，在燃料电池堆的非激活阶段期间在阴极侧的堆截止阀关闭的情况下，缩短直到(下一次)将燃料供给到燃料电池堆的阳极室A中为止的时间间隔。
根据在这里公开的技术方案，可以规定，在燃料电池系统的非激活阶段期间将燃料重复地引入到阳极室中，以便补偿从阳极室A中迁移出来的燃料。因此，不将燃料供给给阳极室A以产生电能，而是所述供给相反地是为了避免燃料氧化剂前沿。
在一种设计方案中，在重复的燃料供给过程之间的时间间隔可以是确定的时间间隔。在一种优选的设计方案中，这些时间间隔可以是可变的。适宜地，可以规定，如果腐蚀值可推测出在没有保护措施的情况下以不可容忍的程度发生碳腐蚀，则缩短所述时间间隔。附加地，在一种设计方案中可以规定，如果先前检测到的腐蚀值表示对于未来没有或仅有非常少的碳腐蚀，则(又)延长所述时间间隔。在这样的设计方案中有利的是，可以在非激活阶段期间改善在燃料供给过程之间的时间间隔。在此，可以解决如下目的冲突：一方面，力求获得尽可能长的时间间隔，以便尽可能少地必须激活对燃料电池系统的控制。另一方面，时间间隔应选择得短，使得可以完全或大部分地避免形成燃料氧化剂前沿。
腐蚀极限值通常选择成，使得如果不超过该腐蚀极限值，则不发生碳腐蚀或以可容忍的程度发生碳腐蚀。例如，可以在开发燃料电池系统期间的试验系列中确定所述腐蚀极限值。
此外，可以预定关断腐蚀极限值。关断腐蚀极限值可以表示如下碳腐蚀的程度，该碳腐蚀的程度大于当超过所述腐蚀极限值时发生的碳腐蚀的程度。例如，可以将关断腐蚀极限值选择成，使得在任何情况下都存在不可容忍的故障。例如，这是必须由此认定在任何情况下都发生强烈的碳腐蚀的情况。如果腐蚀极限值大于关断腐蚀极限值，则可以采取其他或者说另外的保护措施。例如，可以发出警告指示和/或可以持久关闭阳极侧的堆截止阀，而不允许进一步的燃料供给过程或燃料电池系统的自给自足运行。
作为在两个燃料供给过程之间的时间间隔的替代性方案或附加方案，在关停程序的结束和在机动车的非使用阶段中的第一燃料供给过程之间的时间间隔可以如结合其他时间间隔所公开的那样改变。
换句话说，在这里公开的技术方案涉及一种用于降低或防止退化的方法。根据在这里公开的技术方案的一方面，在燃料电池堆关停之后在堆截止阀关闭的情况下，检测阳极和/或阴极的压力曲线。尤其地，可以在系统关停之后观察压力曲线。例如，在关机后并且在控制器进入睡眠状态之前和/或在确定的时间间隔之后通过重新唤醒/测量。可以通过解释压力曲线来足够精确地量化阴极阀的密封性。在这里公开的用于检测阴极室的密封性的方法以阴极阀的关闭为前提，以便评估阴极阀的密封性。适宜地，这可以在燃料电池系统关断之后进行。替代性地或附加地，可以设想的是，即使在车辆运行期间(例如在车辆较长时间不需从燃料电池堆中抽出功率时，或在电能仅由高压存储器提供所在的路段中，例如在交通拥堵中)也关闭阴极阀并且检测阴极室的密封性。在这样的检测中，在机动车的行驶期间，适宜地不实施所有的关机过程，所述关机过程原本在机动车停车时被实施。足够的是，关闭阴极阀并且不给阳极供给燃料。因此，在行驶期间进行密封性检查时，燃料电池堆不向其他耗电器或能量存储装置提供电能。为了再次利用燃料电池堆产生功率，仅需再次打开阀。
基于检测到的密封性，可以计算出间隔，即，何时需要重新供给氢气以避免/降低碳腐蚀，从而在阳极室中不积聚过多的氧气。
在这里公开的技术方案还包括单个电池或燃料电池堆的电压测量。在开启燃料电池系统之前，向阳极供给氢气。如果在这里出现氢氧前沿，则该前沿会导致单个电池电压升高。电池电压的这样的升高可以用作用以改变直至以燃料再填充阳极的时间间隔的指示器。例如，如果预先限定的或先前基于预测(例如，在这里公开的在使用腐蚀极限值的情况下的方法)确定的直至再填充阳极的时间间隔过长(例如由于阴极侧的截止阀损坏)，则可以缩短所述时间间隔。
附图说明
现在根据示意性的图1阐述在这里公开的技术方案。图1示出一种燃料电池系统，该燃料电池系统被构造成用于，实施在这里公开的方法。用于实施在这里公开的方法的控制器未被示出。尤其地，所述控制器是一种如下的控制器，该控制器可以设置成用于，即使在机动车的非使用阶段期间也实施在这里公开的方法。
具体实施方式
燃料电池堆300在这里示意性地划分成两个部分，其中，一部分一同形成阳极室A，而第二部分一同形成阴极室K。在这里，燃料电池堆300被强烈简化地示出。实际上，燃料电池堆300通常包括数百个单个电池，各单个电池分别具有阴极和阳极，所述阴极和阳极被可由离子渗透的隔板分隔开。
阴极子系统包括：
氧化剂输送器410，所述氧化剂输送器吸入并且压缩氧化剂(在这里为空气)；
在氧化剂输送器410的下游的增压空气冷却器420，所述增压空气冷却器冷却经压缩的氧化剂；
旁路460，所述旁路在燃料电池堆300的上游分支出并在燃料电池堆的下游通入废气管路中；
阴极侧的第一堆截止阀430或者说阴极截止阀，其设置在燃料电池组300上游；以及
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设置成与燃料电池堆300直接相邻。阳极扫气管路239在这里接通在第一堆截止阀430和燃料电池堆300之间，在这里，所述阳极扫气管路在阳极扫气阀或者说放气阀238处开始。
阳极扫气阀238在这里构造在水分离器232旁或构造成与水分离器相邻。所述阳极扫气阀238也可以称为在燃料电池堆300下游的阳极侧的堆截止阀238。
此外，阳极子系统还包括：
-至少一种燃料源(在这里通过“H2”示出)；
-至少一个阳极侧的(第一)堆截止阀211，其设置在燃料电池堆300上游并且构造成用于，中断在燃料源与其余阳极子系统之间的流体连通；
-至少一个喷射器234，其构造成用于，将再循环的气体引入到阳极输入管路中；以及
-至少一个燃料再循环输送器，其设置在再循环管路中并输送要再循环的气体。
同样，阳极侧的堆截止阀211可以尤其是在没有再循环的实施方案中设置成与燃料电池堆300的阳极入口直接相邻。
阴极侧的堆截止阀430、440与燃料电池300的部分区域一起形成阴极室K，该阴极室以气密的方式相对于阴极子系统的其余组件分隔开。同样，阳极侧的堆截止阀211、238在这里与燃料电池300的部分区域一起形成阳极室A，该阳极室可以相对于阳极子系统和/或阴极子系统的其他区域隔绝。
本发明的上面的说明仅用于图解性的目的，而不是为了限制本发明。在本发明的范围中，在不脱离本发明以及其等同方案的范围的情况下，不同的改变和修改是可行的。

Claims (10)

1.一种降低在燃料电池系统的燃料电池堆(300)中的碳腐蚀的方法，所述方法包括如下步骤：
检测腐蚀值，所述腐蚀值代表在燃料电池堆(300)的非激活阶段期间在燃料电池堆(300)中有概率发生的碳腐蚀的程度；并且
基于所述腐蚀值来启动用于降低在燃料电池堆(300)中的碳腐蚀的保护措施。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，作为保护措施，如果所述腐蚀值高于腐蚀极限值，则在燃料电池堆的非激活阶段期间缩短直到将燃料供给到所述燃料电池堆的阳极室(A)中为止的时间间隔。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，如果所述腐蚀值高于关断腐蚀极限值，则在所述燃料电池系统的非激活阶段期间阻止进一步供给燃料。
4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，所述方法还包括如下步骤，根据该步骤，检测阴极室(K)的密封性，并且所述阴极室(K)的密封性用作腐蚀值。
5.根据权利要求4所述的方法，所述方法还包括如下步骤，根据该步骤，在闭锁所述阴极室(K)之后，根据压力曲线来检测所述阴极室(K)的密封性。
6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，所述方法还包括如下步骤，根据该步骤，在燃料电池堆的非激活阶段期间，在将燃料供给到所述燃料电池堆的阳极室(A)中期间，检测所述燃料电池堆的至少一个燃料电池的电压，并且检测到的电压用作腐蚀值。
7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述燃料电池堆设置在机动车中，并且在机动车的非使用阶段期间检测腐蚀值。
8.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，在机动车的关停程序结束之后并且在所述燃料电池系统的控制器关断之前，检查所述燃料电池堆的密封性。
9.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中，在仅由至少一个电能存储器提供用于所述机动车的电功率期间检查所述燃料电池堆的密封性。
10.一种机动车，所述机动车包括具有至少一个燃料电池堆(300)的燃料电池系统，其中，所述燃料电池系统设置成用于，实施前述方法之中的任一项方法。
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