CN114762155A - 用于燃料电池系统的传感器装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于燃料电池系统(100)的传感器装置(10)，其用于确定冲扫参数(SP)以控制燃料电池系统(100)的冲扫过程，该传感器装置具有用于安置在燃料电池堆(110)的阳极部(120)的阳极供应部(122)内的第一流道(20)和用于安置在燃料电池堆(110)的阳极部(120)的再循环部(126)内的第二流道(130)，这两个流道至少局部借助气密隔膜(40)被相互分隔，其中，该隔膜(40)设计成能够被质子穿透并且在两侧具有电极部(42,44)，该传感器装置还具有测量装置(50)，用于基于这两个电极部(42,44)之间的电压来确定作为冲扫参数(SP)的在第一流道(20)与第二流道(30)之间的燃料浓度差。

Description

用于燃料电池系统的传感器装置

技术领域

本发明涉及一种用于燃料电池系统的传感器装置、一种具有这种传感器的燃料电池系统以及一种用于控制燃料电池系统的冲扫过程的方法。

背景技术

已知的是燃料电池在使用中进行燃料再循环。在此，燃料例如是氢气，其被供入燃料电池的阳极侧并在那里被化学转化。但在常见的工作方式中，在阳极之后的阳极废气中仍留有剩余燃料。为了能再使用尚存的剩余燃料而已知的是，至少一部分阳极废气在再循环部内又被供入阳极供应部。

已知的解决方案的缺点是上述再循环造成可能在阳极供应部和进而在燃料电池堆的阳极中出现污染。氮气可能因扩散过程而进入阳极废气并通过再循环又被供入阳极供应部，由此也形成富集。在阳极废气中也存在水或水蒸汽，其也以液态形式呈滴状通过再循环被供入阳极供应部并在那里也会在氢气路径内阻塞通路。另外，基于危害机制可能出现在阳极侧形成少量的一氧化碳和二氧化碳。因此为了避免阳极供应部气体严重污染，在已知的燃料电池系统中执行冲扫过程。在此尤其区分为吹扫过程和渗流过程。吹扫过程是对阳极供应部进行短暂排放或冲扫，而渗流过程是指以少量体积流长期排放或冲扫。

在已知的解决方案中，冲扫过程的时刻或是在燃料电池堆的单独电池低于一定电池电压时被触发，或是通过算法基于模拟模型来确定。因此要模拟经过何种工作时间以及在何种工作状态下在阳极供应部内出现何种脏污。随后基于模拟结果执行该冲扫过程。为了避免模拟误差叠加，出于安全考虑执行更多次冲扫。这一方面是不利的，因为它限制燃料电池工作。另一个缺点是以此方式浪费的阳极供应气体、即不再可供发电所用的损失燃料。

发明内容

本发明的任务是至少部分消除前述缺点。本发明的任务尤其是以廉价且简单的方式改善燃料电池系统内的冲扫过程的控制。

前述任务通过一种具有权利要求1的特征的传感器装置、一种具有权利要求9的特征的燃料电池系统以及一种具有权利要求13的特征的方法来完成。本发明的其它特征和细节来自从属权利要求、说明书和图。在此，与本发明的传感器装置相关所描述的特征和细节显然也与本发明的燃料电池系统以及本发明的方法相关地是适用的，反之均亦然，故关于对这些发明方面的公开内容总是相互参照或能够相互参照。

根据本发明，用于燃料电池系统的传感器装置设计用于确定一个冲扫参数以控制燃料电池系统的冲扫过程。为此，该传感器装置具有用于安置在燃料电池堆的阳极部的阳极供应部内的第一流道。另外，该传感器装置配备有用于安置在燃料电池堆的阳极部的再循环部内的第二流道。第一流道和第二流道借助气密隔膜至少局部被相互分隔。该隔膜设计成是透质子的并在两侧配备有一个电极部。另外，该传感器装置具有用于基于两个电极部之间的电压作为冲扫参数确定第一流道与第二流道之间的燃料且尤其是氢气的浓度差的测量装置。

在本申请范围内，有时结合作为燃料的氢气来解释工作方式。显然，也可以在本发明内使用其它燃料。

不同于已知的解决方案，传感器装置现在被设计成整体确定在两个流道之间和进而在阳极供应部与再循环部之间的燃料浓度差。这尤其基于以下构思，即，阳极供应部内的浓度原则上是已知的，因为它用于燃料的供应。如果例如氢气被用作燃料，则假定在阳极供应部中存在百分百或近似百分百的氢气浓度。再循环部内的氢气浓度取决于污染的严重程度。在燃料电池整个工作期间污染积聚以致脏污含量增大，由此该再循环部内的氢气含量降低。

通过根据本发明的传感器装置，现在可以确定该浓度差。这基于第一流道与第二流道之间的电位。如果在第一流道与第二流道之间有氢气浓度差，则它影响到隔膜和安放于隔膜上的电极部。该浓度差导致由氢气尤其在催化剂层上形成的质子和电子在第一流道内移动经过设计成透质子的隔膜和传导电子的电极，以产生针对第二流道的化学浓度平衡。由于就移动而言，该质子能够移动经过隔膜，还有电子因而能够移动经过两个电极部，故在第一流道内的电极部与第二流道内的电极部之间产生电位。前述电势可通过测量装置在两个电极部之间被测知并作为电压限定冲扫参数。在此，在两个电极之间的测得电压被直接用作冲扫参数。但也可以对一定电压值进行继续处理，以允许推断出浓度差和尤其确定在第二流道内的氢气实际浓度。

因此，基于以上解释，该传感器装置可被集成到燃料电池系统中。因此可能的是，整体上在燃料电池系统内且尤其是以连续方式或基本连续的方式监测第一流道与第二流道之间的浓度差。除了单纯监测所述差，也能基于阳极供应部内的已知浓度甚至定量确定或至少定量近似计算再循环部内的氢气浓度。因此，不同于已知的解决方案，不必再动用模拟模型以开始冲扫过程。相反，可以确定氢气浓度和进而还有推断出再循环部内的脏污程度。脏污程度现在可以被用作控制参数以引发冲扫过程。

通过基于实际存在和所测的氢气浓度差来整体确定冲扫参数，现在能避免不希望有的冲扫过程。相反，当再循环气体的脏污程度超出预定程度例如预定值时以目标明确的方式冲扫就够了。这种目标明确的冲扫过程因此避免基于模拟结果因安全缘故执行不必要的冲扫过程，故由这种不必要的冲扫过程造成的氢气损失也可得以避免。另外，通过精确测知尤其在再循环部内的浓度可以明显更动态地控制在阳极供应部内、尤其是来自氢气源的氢气供应。在燃料电池处的负荷要求因此可以更动态地且尤其更灵活地被改变。尤其还要指出，目标准确的冲扫过程可靠避免了对于再循环部和进而也在阳极供应部内的极其严重的污染、尤其是过多的氮气。否则，过高的氮气含量可能导致燃料电池堆的阳极部的降解。

为了将传感器装置安置在阳极供应部和再循环部内，各自流道优选设计成具有相应的入口和出口，以便以流体连通的方式整合至阳极供应部和再循环部中。第一流道在此设计成相对于第二流道是气密的。

当在本发明传感器装置中所述电极部在两侧覆盖整个或基本整个隔膜时可带来优点。这是指质子无法从电极旁绕过。此外，可通过这种方式提供隔膜的简单制造，因为它也大面积制作且随后可被裁切。由于避免了前述的质子旁通，故可以实现显著更精确的测量和进而改善的冲扫参数确定。

当在本发明的传感器装置中第一流道和第二流道尤其关于流动状况被设计成相同或基本相同时，可以获得其它优点。它例如是指两个流道的相同的流动横截面。两个流道的相同的总体积也可被理解为相同或基本相同的设计。尤其是，影响两个流道内的流动的壁面以及相应的输入横截面和出口横截面是相同或基本相同的。这导致一定浓度差或一定电压可以借助测量装置被简单评估。

还有利的是，在本发明的传感器装置中，第一流道和/或第二流道具有至少一个调整装置，用于控制各自流道内的流动状况。这种调整装置例如可以设计成阀或泵并导致两侧的流动状况相互平衡。为了允许用测量装置以改善的且特别是简单的方式评估冲扫参数，现在能主动调整在两个流道内的流动状况。尤其当再循环程度被改变时，可借助调整装置在传感器装置内提供流动状况的调整。即便当在燃料电池系统处有不同的负荷状况或负荷要求的情况下在阳极供应部内出现由不同的供应速度或供应质量流引起的不同的流动状况时，可以通过相应的调整装置在第二流道内又实现流动状况的平衡。

也有利的是，在根据本发明的传感器装置中该至少一个调整装置具有以下模块中的至少一个：

-用于改变各自流道内的气压的压力模块，

-用于改变各自流道内的质量流的质量流模块。

上述列举是非穷举名单。压力模块或质量流模块例如可以是泵装置、压力调整装置或控制阀。因此可能的是影响各自流道内的气压和/或质量流、但最好是两者并且适配于另一流道内的相应状况。这种调整装置优选设置用于两个流道，以在流动状况的变化和在调整可能性方面提供更高灵活性。

进一步有利的是，在本发明的传感器装置中该隔膜在至少一侧、尤其在两侧、最好在各自电极部上具有催化剂层，以用于使气体成分、尤其是氢气氧化。氧化是指化学氧化，因此例如由氢产生质子和电子。借助气体成分的化学氧化实现的催化反应导致提供更进一步改善的前提条件，用于通过化学势能在两个流道之间形成电压。尤其是催化剂层在此在两个电极部上设计成是相同的或基本相同的。

可能同样有利的是，在本发明的传感器装置中将该隔膜设计成是电绝缘的。这可以通过相应的隔膜材料设计来提供。但原则上也可以想到，该隔膜通过一个层或相应结合至壁或壳体来提供电绝缘。特别优选的是该隔膜具有针对一个或甚至两个电极部的相应电绝缘接触。

还有利的是，在本发明的传感器装置中第一流道和第二流道沿隔膜以顺流方式延伸。这导致避免此外因对流而可能有的浓度偏差，并且也减轻由两个流道内的温度差造成的不希望的变化。

本发明的主题也是一种燃料电池系统，其具有：

-至少一个燃料电池堆，其具有阳极部和阴极部，

-用于供应阳极供应气体至阳极部的阳极供应部，

-用于供应阴极供应气体至阴极部的阴极供应部，

-用于排放至少一部分阳极废气的阳极排放部，

-用于排放阴极废气的阴极排放部，

-用于回输至少一部分阳极废气至阳极供应部的再循环部。

在此，设有根据本发明的传感器装置。该阳极供应部具有该传感器装置的第一流道，并且该再循环部具有该传感器装置的第二流道。因此，本发明的燃料电池系统带来与关于本发明的传感器装置所明确解释的一样的优点。显然，燃料电池系统还可以具有其它特征。例如可以在传感器部上游设置重整器装置，其将供应的重整器供应气体转化为重整后的阳极供应气体。其它组成部分例如换热器、补燃器或杆状燃烧器装置在本发明范围内也可被用在这种燃料电池系统中。

此外可能有利的是，在根据本发明的燃料电池系统中在再循环的阳极废气的流动方向上在下游设有混合部，以用于将再循环的阳极废气送入阳极供应部。换言之，在混合部内执行再循环气体与阳极供应气体的混合。因此可以实现这两种气体的简单廉价的混合和组合。因为关于第二流道布置在下游，因此在根据本发明确定冲扫参数之后才发生混合。除了混合，原则上也可以在本发明范围内想到从第二流道至阳极部的单独管路。

在本发明的燃料电池系统中混合部在阳极供应部内在阳极供应气体的流动方向上设置在第一流道之后时，还带来优点。这是指只有当阳极供应气体流过第一流道之后才与再循环气体发生混合。再循环气体的影响和进而所出现的混合浓度因此只在流经第一流道之后才发生。这尤其当纯的阳极供应气体是已知的且其也以纯净状态流过第一流道时导致可针对再循环气体确定精确组成。不希望的交叉影响和随时间出现的偏差通过这种方式针对第一流道得以避免。

也可能有利的是，在本发明的燃料电池系统中该混合部在阳极供应部中在阳极供应气体的流动方向上设于第一流道上游。这允许不将阳极供应气体的纯气体成分、而是将已出现的混合物与再循环气体相比较。这尤其当并非仅设有一个传感器装置、而是设有两个传感器装置时是有利的。因此，当第一传感器装置布置在混合部之前并且第二传感器装置布置在混合部之后且因此可以通过化学势能识别和相应的冲扫参数不仅提供与纯阳极供应气体的比较、也提供与混合后的阳极供应气体的比较时，带来显著优点。

本发明的主题也是一种用于控制本发明的燃料电池系统的方法，具有以下步骤：

-借助传感器装置确定冲扫参数，

-将所确定的冲扫参数与预定值相比较，

-基于比较结果执行冲扫过程。

根据本发明的方法因此带来与关于本发明燃料电池系统所明确描述的一样的优点。在此，冲扫过程可以是吹扫过程或也是渗流过程。也可以想到按照冲扫参数或偏离预定值的程度来判断应该执行吹扫过程还是渗流过程。

也有利的是，在本发明的方法中基于该冲扫参数确定尤其呈第二流道内的氮浓度形式的次级参数。这尤其当在第一流道内有纯的或基本纯的阳极供应气体例如纯氢气时是有利的。因此该次级参数可以作为差值精确地产生尤其呈氮形式的脏污百分率，而不必直接确定氮或氮含量。在此，该次级参数可以单独地或与冲扫参数组合地被考虑用于比较值以控制冲扫过程。

附图说明

本发明的其它优点、特征和细节来自以下参照图详细描述本发明实施例的说明。在此，在权利要求书和说明书中提到的特征可以分别单独地或在任何组合中对于本发明是重要的，图示意性示出：

图1示出本发明的传感器装置的一个实施方式，

图2示出本发明的传感器装置的另一实施方式，

图3示出本发明的燃料电池系统的一个实施方式，

图4示出本发明的燃料电池系统的另一实施方式，

图5示出本发明的燃料电池系统的另一实施方式，

图6示出本发明方法的示意图。

具体实施方式

图1示意性示出根据本发明的传感器装置的基本结构。该传感器装置具有两个独立单元，它们以第一流道20和第二流道30为特点。第一流道20在此是阳极供应部122的一部分，第二流道30是再循环部126的一部分。在此，最好是纯的阳极供应气体例如纯氢气流过第一流道20。相应地，被阳极废气污染的再循环气体被引导经过第二流道30，从而在第一流道20内和第二流道30内的氢气之间出现化学浓度差。根据图1，这两个流道20和30在此实施方式中通过气密隔膜40被分隔。但质子可以透过隔膜40，使得化学浓度差造成在第一流道20与第二流道30之间的可测电压。电压通过设于隔膜40两侧的电极部42、44被感测并且可以在测量装置50处被识别。在测量装置50中，现在作为冲扫参数SP输出所识别的浓度差，但或者直接输出测定的电压值。如在图1中能清楚看到地，在这里，第一流道20和第二流道30沿相同流向延伸。

图2示出本发明的传感器装置的一个改进方案。它原则上基于图1的解决方案。但在这里还设有由泵装置构成的调整装置60。因此可改变第一流道20和第二流道30内的流动状况。尤其在不同的负荷要求下、但也在不同的再循环量的情况下，可通过这种方式针对在相应的其它流道20或30内的流动状况进行调整，从而可实现两个流道20、30之间的流动状况的调整和尤其是平衡。

图3示出将本发明的传感器装置10集成到本发明的燃料电池系统100中。它在这里示意性地配设有燃料电池堆110，其具有阳极部120和阴极部130。阳极部120配设有用于供应阳极供应气体的阳极供应部和用于排放阳极废气的阳极排放部124。以相同方式，阴极部130设计成具有用于供应阴极供应气体的阴极供应部132和用于排放阴极废气的阴极排放部134。如已经解释地，在阳极部120的阳极废气中还有残余的氢气，其未被送入环境，而是应该被再用。所述再用是通过借助再循环部126对至少一部分阳极废气进行再循环来达成的。

图3现在示出如何将传感器装置10集成到阳极供应部122和再循环部126中。通过再循环部126再循环的阳极废气被引导入第二流道30并在那里出现与第一流道20的阳极供应气体的浓度差。显然，再循环气体的供应也可以在传感器装置10的下游实现。兹可以实现浓度差的整体确定，从而可以目标明确地执行吹扫过程或渗流过程。

图4示出图1的实施方式的一个改进方案。在传感器装置10的供应路径和排放路径中，在此实施方式中设有作为调整装置60的控制阀或调节阀，以将第一流道20和第二流道30内的流动状况相互均衡。也设有混合部140，其允许目标准确地进行再循环气体与纯供应气体的混合。混合部140显然也可以在阳极供应部122内设于第二流道20下游。

图5示出伴随燃料电池系统100的进一步改善的设计方案。因而在这里设有两个传感器装置10，它们在关于混合部140的两个不同位置执行其测量功能。因此，左侧的传感器装置10能够确定纯阳极供应气体和再循环气体之间的浓度差。右侧的传感器装置10允许在再循环气体和已混合的阳极供应气体之间的测量。因此可以提供更精确的整体测量和进而更精确地控制吹扫过程和/或渗流过程。

图6示意性示出可如何执行本发明的方法。在此，在第一流道20中优选有百分之百的氢气浓度H2。在第二流道30内有由残余物(Rest)例如水蒸汽和/或氮气和/或一氧化碳和/或二氧化碳造成的污染，使得氢气浓度H2比之在第一流道20内更小。现在，氢气浓度可以作为冲扫参数SP被确定。根据图6，通过与预定值VW的比较现在表明作为冲扫参数SP的氢气浓度降低到小于预定值VW，从而余量和进而脏污程度过高且因此需要冲扫过程。按照相同的、补充或替代的方式，可以针对残余物确定次级参数SP，例如氮浓度。它也可以与预定值VW相比较，并且根据图6在此例子中过大，以致存在过于严重的脏污并且也需要冲扫过程。显然，本发明的方法中的这两个比较步骤可以相互组合。

以上解释仅在例子范围内描述本发明。显然，当前实施方式的这些特征可以相互自由组合，而没有超出本发明范围。

附图标记列表

10 传感器装置

20 第一流道

30 第二流道

40 隔膜

42 电极部

44 电极部

50 测量装置

60 调整装置

100 燃料电池系统

110 燃料电池堆

120 阳极部

122 阳极供应部

124 阳极排放部

126 再循环部

130 阴极部

132 阴极供应部

134 阴极排放部

140 混合部

SP 冲扫参数

SE 次级参数

VW 规定值

Claims (14)

1.一种用于燃料电池系统(100)的传感器装置(10)，其用于确定冲扫参数(SP)以控制该燃料电池系统(100)的冲扫过程，该传感器装置具有用于安置在燃料电池堆(110)的阳极部(120)的阳极供应部(122)内的第一流道(20)和用于安置在该燃料电池堆(110)的阳极部(120)的再循环部(126)内的第二流道(130)，这两个流道至少局部借助气密隔膜(40)被相互分隔，其中，该隔膜(40)设计成能够被质子穿透并且在两侧具有电极部(42,44)，该传感器装置还具有测量装置(50)，用于基于这两个电极部(42,44)之间的电压来确定作为冲扫参数(SP)的在该第一流道(20)与该第二流道(30)之间的燃料浓度差、尤其是氢气浓度差。

2.根据权利要求1所述的传感器装置(10)，其特征是，所述电极部(42,44)在两侧覆盖或基本上覆盖整个隔膜(40)。

3.根据权利要求1至2之一所述的传感器装置(10)，其特征是，该第一流道(20)和该第二流道(30)尤其在流动性能方面设计成彼此相同或基本相同。

4.根据权利要求1至3之一所述的传感器装置(10)，其特征是，该第一流道(20)和/或该第二流道(30)具有至少一个调整装置(60)，用于控制在各自流道(20,30)内的流动状况。

5.根据权利要求4所述的传感器装置(10)，其特征是，该至少一个调整装置(60)具有以下模块中的至少一个：

-用于改变各自流道(20,30)内的气压的压力模块，

-用于改变各自流道(20,30)内的质量流的质量流模块。

6.根据权利要求1至5之一所述的传感器装置(10)，其特征是，该隔膜(40)在至少一侧、尤其在两侧、最好在各自电极部(42,44)处具有催化剂层，用于将气体成分、尤其是氢气进行氧化。

7.根据权利要求1至6之一所述的传感器装置(10)，其特征是，该隔膜(40)设计为电绝缘的。

8.根据权利要求1至7之一所述的传感器装置(10)，其特征是，该第一流道(20)和该第二流道(30)沿该隔膜(40)以彼此相同的流向延伸。

9.一种燃料电池系统(100)，具有：

-至少一个燃料电池堆(110)，其具有阳极部(120)和阴极部(130)，

-用于将阳极供应气体供应至该阳极部(120)的阳极供应部(122)，

-用于将阴极供应气体供应至该阴极部(130)的阴极供应部(132)，

-用于排出至少一部分阳极废气的阳极排放部(124)，

-用于排出阴极废气的阴极排放部(134)，

-用于将至少一部分阳极废气回输入该阳极供应部(122)的再循环部(126)，

其中，该燃料电池系统还设有具有权利要求1至8中至少一项的特征的传感器装置(10)，并且该阳极供应部(122)具有该传感器装置(10)的第一流道(20)，该再循环部(126)具有该传感器装置(10)的第二流道(30)。

10.根据权利要求9所述的燃料电池系统(100)，其特征是，在所述再循环的阳极废气的流动方向上，在该第二流道(30)下游设有混合部(140)，用于将所述再循环的阳极废气送入该阳极供应部(122)。

11.根据权利要求10所述的燃料电池系统(100)，其特征是，该混合部(140)在该阳极供应部(122)内在所述阳极供应气体流动方向上设于该第一流道(20)下游。

12.根据权利要求10所述的燃料电池系统(100)，其特征是，该混合部(40)在该阳极供应部(122)内在所述阳极供应气体流动方向上设于该第一流道(20)上游。

13.一种用于控制具有权利要求9至12之一的特征的燃料电池系统(100)的冲扫过程的方法，具有以下步骤：

-借助该传感器装置(10)确定冲扫参数(SP)，

-将所确定的冲扫参数(SP)与规定值(VW)相比较，

-基于所述比较结果执行冲扫过程。

14.根据权利要求13所述的方法，其特征是，基于该冲扫参数(SP)来确定尤其呈在该第二流道(30)内的氮浓度形式的次级参数(SE)。

Images