CN114824375A - 用于校准和/或适配空气质量流传感器的方法和控制器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于校准和/或适配布置在燃料电池系统的阴极供气路径中的空气质量流传感器的方法，其中在系统的部分负载运行中执行如下步骤：‑通过减小布置在阴极供气路径中的空气压缩机的转速有针对性地减少空气质量流直至在燃料电池系统的燃料电池堆的燃料电池中的氧气耗完且燃料电池过渡到质子泵送运行中；‑借助氢气传感器测量在燃料电池系统的阴极排气路径中的氢气浓度；和‑一旦测量到氢气浓度，则计算通过空气质量流传感器的空气质量流，其中：a)由借助法拉第定律获得的电流计算在阴极排气路径中的氧气浓度；和b)由在阴极排气路径中氮气与氧气的比求取空气质量流。本发明此外还涉及一种用于执行该方法的控制器。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于校准和/或适配布置在燃料电池系统的阴极供气路径中的空气质量流传感器的方法。此外，本发明还涉及一种用于执行根据本发明的方法的控制器。
背景技术
借助燃料电池系统的燃料电池可以将氢气与氧气一起转化为电能、热量和水。燃料电池为此分别具有包括阳极和阴极的隔膜电极组件。氢气被供应给阳极，在移动应用中在适合的箱中携带氢气。用作氧气提供者的环境空气被供应给阴极。为了提高燃料电池系统的功率使用多个呈燃料电池堆(也称为“堆跺(Stack)”)形式的燃料电池。
因为在燃料电池中的电化学反应要求一定的空气质量流和压力，所以事先借助布置在阴极供气路径中的空气压缩机压缩被供应给阴极的环境空气。借助空气质量流传感器测量通过燃料电池堆的空气质量流，其方式是：空气质量流传感器测量压力、压差和温度并且由此计算空气质量流。空气质量流传感器的基于压差的测量方法由原理决定地在空气质量流小的情况下具有大的测量公差。由此在燃料电池系统的部分负载运行中的调节变得困难。此外，空气质量流传感器在其使用寿命上附加地出现漂移。
发明内容
本发明所基于的任务在于，避免在燃料电池系统中检测空气质量流时的大的测量公差并且以这种方式简化在燃料电池系统的部分负载运行中的调节。
为了解决该任务，提出具有根据本发明的方法。后面还给出本发明的有利的扩展方案。此外，还提出一种用于执行根据本发明的方法的控制器。
所提出的方法用于校准和/或适配布置在燃料电池系统的阴极供气路径中的空气质量流传感器。在该方法中，在系统的部分负载运行中执行以下步骤：
-通过减小布置在阴极供气路径中的空气压缩机的转速有针对性地减少空气质量流直至在燃料电池系统的燃料电池堆的燃料电池中的氧气耗完并且燃料电池过渡到质子泵送运行中；
-借助氢气传感器测量在燃料电池系统的阴极排气路径中的氢气浓度；和
-一旦测量到氢气浓度，则计算通过空气质量流传感器的空气质量流，其中：
a)由借助法拉第定律获得的电流计算在阴极排气路径中的氧气浓度；和
b)由在阴极排气路径中氮气与氧气的比求取空气质量流。
如果电池单体中的氧气耗完，则燃料电池过渡到质子泵送运行中，从而通过燃料电池的隔膜运输的质子不再遇到氧原子，而是借助存在的电极以及另外的质子化解为氢分子，按照如下公式：
H++H++2e-->H2
为了激发质子泵送运行，必须降低空气质量流或空气化学计量比。为了实现这一点，减小空气压缩机的转速。
准确知晓在燃料电池系统的部分负载运行中通过空气质量流传感器或燃料电池堆的空气质量流能够尤其在部分负载运行中实现燃料电池系统的准确调节。
为了执行所提出的方法不需要附加的部件，因为燃料电池系统通常不但包括空气质量流传感器而且也包括氢气传感器。通常，借助布置在阴极排气路径中的氢气传感器监控氢气浓度，以便探测可能的隔膜裂缝。
执行所提出的方法的前提仅在于，系统处于部分负载运行中。
如果不应是该情况，则也可以强制执行部分负载运行。例如可以通过利用其它能量源、尤其是燃料电池系统的电池降低负载。只要已经利用其它能量源，就可以增强该利用。
在执行所提出的方法时，还应可靠地禁止清除和/或排水过程(Purge-und/oderDrainvorgang)。由此应防止：附加的氢气源可供用于氢气传感器并且影响测量。为了确保在所提出的方法的执行期间不出现清除和/或排水过程，可以事先有针对性地执行清除和/或排水过程。以这种方式可以增大与下一个清除和/或排水过程的时间间隔。
如果燃料电池系统在阴极侧具有在用于绕开燃料电池堆的旁通路径中的旁通阀，则应关闭该旁通阀，而且尽可能完全关闭该旁通阀。如果不应避免旁通阀的部分打开，则必须执行对在阴极排气路径中所测量的氢气浓度的校正。为此，必须借助另一空气质量流传感器检测通过空气压缩机的全部空气质量流，该另一空气质量流传感器布置在空气压缩机上游。
为了进一步提高在通过空气质量流传感器计算空气质量流时的测量精度，在此提出，在执行所述方法时求取和考虑周围环境湿度。然而，这取决于：存在相应的传感装置或附加地设置该传感装置。
根据本发明的一个优选实施方式，使用所提出的用于校准空气质量流传感器的方法。然后在以燃料电池系统投入运行的新状态下执行该方法。以这种方式可以初始地补偿空气质量流传感器的由制造引起的公差。
替代或补充地提出，使用根据本发明的用于适配空气质量流传感器的方法。为此，以规律的时间间隔重复执行所提出的方法。该时间间隔可以为几天，例如一周，使得每周一次地适配空气质量流传感器。以这种方式可以补偿在空气质量流传感器的使用寿命上的传感器漂移。
在本发明的扩展方案中提出，对于不同的流级(Stromstufen)重复执行该方法，并且由此求取空气质量流传感器的特性曲线。
此外，提出一种控制器，其设置为用于执行根据本发明的方法。借助控制器尤其可以执行所提出的方法的计算步骤。为此必须给控制器提供必要的指导参数。控制器尤其与布置在阴极排气路径中的氢气传感器以数据传输方式连接。此外，控制器可以通过控制线路与空气压缩机连接，以便通过减小空气压缩机的转速启动所提出的方法。
借助控制器可以使所提出的方法自动化。这简化了以规律的时间间隔执行所述方法，用于适配空气质量流传感器。
附图说明
在下面根据附图进一步阐述本发明。附图示出了：
图1燃料电池系统的示意图；和
图2根据本发明的方法的各个方法步骤的流程图。
具体实施方式
在图1中所示的燃料电池系统100包括燃料电池堆4，其具有阳极7和阴极8。在燃料电池系统100的运行中给阳极7供应阳极气体，其包含来自箱9的氢气以及再循环的阳极气体。所示的燃料电池系统100为此具有与箱9连接的流入路径10和布置在其中的氢气配量阀11以及再循环路径12，该再循环路径在射束泵13的区域中与流入路径10汇合。为了主动的再循环，在再循环路径12中附加地布置有再循环泵14。为了在再循环之前对阳极气体除湿，在出口侧上布置有水分离器15和蓄水器16。通过打开排水阀17可以清空蓄水器16。通过打开同样在出口侧布置的清除阀18可以冲洗阳极区域，以便尤其降低阳极气体的氮含量。
在燃料电池系统100的运行中给阴极8供应空气，空气取自周围环境。因此，首先将空气通过阴极供气路径2供应给空气过滤器19。紧接着，将空气借助空气压缩机3压缩并且借助热交换器20冷却。在出口侧，经消耗的空气通过阴极排气路径5被导出。在阴极排气路径5中设有氢气传感器6，该氢气传感器测量阴极废气中的氢气浓度。以这种方式例如可以探测隔膜裂缝。阴极排气路径5和阴极供气路径2在燃料电池系统的所示的实施例中通过旁通路径21和布置在其中的旁通阀22连接。
在阴极供气路径2中借助空气压缩机3提供的空气质量流在燃料电池堆4上游借助空气质量流传感器1来测量。该空气质量流传感器必须在燃料电池系统100的新状态下初始校准。为了补偿在空气质量流传感器1的使用寿命上的传感器漂移还可以对该空气质量流传感器进行适配。不但校准而且适配均可以借助所提出的根据本发明的方法实现。在下面根据图2描述该方法。
在图2中在流程图中所示的方法主要包括步骤S1至S8。在步骤S1中首先决定：是否要执行空气质量流传感器1的校准或适配。在随后的步骤S2中等待或强制达到静态的部分负载点，因为在系统的部分负载运行中实施该方法。如果不存在用于绕开燃料电池堆4的旁通路径21和旁通阀22，则省去随后的步骤S3。然而，因为这不是在图1的燃料电池系统100中的情况，所以必须在步骤S3中关闭旁通阀22。此外，在步骤S4中关注的是：在实施所述方法期间不出现清除和/或排水过程。用于实施所述方法的前提现在满足，使得在步骤S5中可以减小空气压缩机3的转速。紧接着，在步骤S6中借助氢气传感器6测量在阴极排气路径5中的氢气浓度。如果未探测到氢气(-)，则继续减小空气质量流。一旦在阴极排气路径5中测量到氢气浓度(+)，则在步骤S7中计算通过空气质量流传感器1的空气质量流。如果该空气质量流存在，则在步骤S8中结束所述方法。
Claims (9)
1.一种用于校准和/或适配布置在燃料电池系统(100)的阴极供气路径(2)中的空气质量流传感器(1)的方法，在该方法中，在系统的部分负载运行中执行以下步骤：
-通过减小布置在所述阴极供气路径中的空气压缩机(3)的转速有针对性地减少空气质量流直至在所述燃料电池系统(100)的燃料电池堆(4)的燃料电池中的氧气耗完并且所述燃料电池过渡到质子泵送运行中；
-借助氢气传感器(6)测量在所述燃料电池系统(100)的阴极排气路径(5)中的氢气浓度；和
-一旦测量出氢气浓度，则计算通过所述空气质量流传感器(1)的空气质量流，其中，
a)由借助法拉第定律获得的电流计算在所述阴极排气路径(5)中的氧气浓度；和
b)由在所述阴极排气路径(5)中氮气与氧气的比求取空气质量流。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，强制执行部分负载运行，例如通过利用其它能量源、尤其是燃料电池系统(100)的电池。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，事先执行清除和/或排水过程，使得增大与下一个清除和/或排水过程的时间间隔。
4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，事先关闭在用于绕开所述燃料电池堆(4)的旁通路径(21)中的旁通阀(22)。
5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，在计算通过所述空气质量流传感器(1)的空气质量流时求取和考虑周围环境湿度。
6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，在以所述燃料电池系统(100)投入使用的新状态下执行用于校准所述空气质量流传感器(1)的方法。
7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，以规律的时间间隔重复执行用于适配所述空气质量流传感器(1)的方法。
8.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，对于不同的流级重复执行所述方法，并且由此求取所述空气质量流传感器(1)的特性曲线。
9.一种控制器，其设置为用于执行根据前述权利要求中任一项所述的方法。
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