CN116420255A - 用于不良气体识别的确定方法和燃料电池系统 - Google Patents

Abstract

所提出的本发明涉及一种用于确定在用于运行燃料电池系统(200)的燃料中的不良气体份额的确定方法(100)。所述确定方法(100)包括控制步骤(101)、确定步骤(103)、求取步骤(105)和输出步骤(107)，所述控制步骤用于在预给定的持续时间内在确定运行中在恒定运行点处运行(101)所述燃料电池系统(200)，所述确定步骤用于确定(103)在所述确定运行期间所调设的冲洗质量流量，所述求取步骤用于基于所确定的冲洗质量流量来求取(105)在所述燃料中的不良气体浓度，所述输出步骤用于在显示单元(209)上输出(107)所求取的不良气体浓度。所提出的本发明还涉及一种燃料电池系统(200)。

Description

用于不良气体识别的确定方法和燃料电池系统

背景技术

聚合物电解质膜(PEM)燃料电池系统在产生废热和水的情况下借助氧气将氢气转化为电能。

PEM燃料电池由阳极、阴极和放置在它们之间的聚合物电解质膜构成，给该阳极供应氢气，给该阴极供应空气。将多个单个的燃料电池堆叠成燃料电池堆，以便使待产生的电压最大化。在燃料电池堆或者说“堆栈(Stack)”内有供应通道，所述供应通道给单个的燃料电池供应氢气和空气并且将耗尽的(即含氧量少且湿润的)空气与耗尽的(即含氢量少的)阳极废气一起运走。

系统地，已经建立了一种用于给PEM阳极供应氢气的方案，其中，将仍富含氢的阳极废气借助气体输送单元与新鲜氢气一起重新输送至阳极入口。这个过程被称为再循环。作为气体输送单元使用所谓的“喷射泵”或喷射泵和氢鼓风机的混合解决方案。

此外已知，氮气通过扩散过程从阴极侧到达阳极侧。对于在燃料电池中发生的电化学反应，氮气示出惰性气体。作为惰性气体，氮气降低了燃料电池的电池电压并且能够在其以高浓度存在的情况下——如果不再给燃料电池供应足够的氢气——损坏该燃料电池。

在燃料电池系统的运行中，常常会出现运行情况，在所述运行情况中，位于再循环室中的气体排出并且被新鲜氢气置换，以便降低再循环室中的氮气浓度。这个过程被称为冲洗或者说“清洗(Purgen)”。

过于频繁的冲洗尽管会使氮气浓度保持为低的，但是同时会由于浪费燃料而降低系统效率。

例如氮气的来源是包含在燃料中的不良气体的份额。由于在燃料电池系统中的压力必须借助引入燃料而保持为恒定的，因此在冲洗时总是将新的不良气体输送到燃料电池系统中、尤其是燃料电池系统的阳极室中。

除了氮气之外，诸如氩气的其他不良气体也能够包含在燃料中。

已知的是，将冲洗气体混合到阴极废气中并且将其以非临界成分从燃料电池系统中作为废气排放。在此，借助氢传感器来测量所排出的废气中的氢浓度。

发明内容

在所提出的本发明的范畴内，提出具有相应的独立权利要求的特征的一种确定方法和一种燃料电池系统。本发明的另外的特征和细节由相应的优选实施方式得出。在此，结合根据本发明的确定方法所描述的特征和细节当然也适用于与根据本发明的燃料电池系统有关的情况，并且反之亦然，使得关于对各个本发明方面的公开内容始终可以相互参考。

所提出的本发明用于，求取在用于运行燃料电池系统的燃料中的不良气体浓度。尤其地，所提出的本发明用于，给燃料电池系统的用户显示所加注的燃料中的不良气体浓度。

因此，在所提出的本发明的第一方面中，提出了一种用于确定在输送给燃料电池的燃料中的不良气体份额的确定方法。所述确定方法包括控制步骤、确定步骤、求取步骤以及输出步骤和/或调设步骤，所述控制步骤用于在确定运行中在恒定运行点处针对预给定的持续时长运行燃料电池系统，所述确定步骤用于确定在确定运行期间所调设的冲洗质量流量，所述求取步骤用于根据所确定的冲洗质量流量来求取在所述燃料中的不良气体浓度，所述输出步骤用于在显示单元上输出所求取的不良气体浓度，所述调设步骤用于根据所求取的不良气体浓度来调设燃料电池系统。

在所提出的本发明的上下文中，“不良气体”应理解为在燃料中的非氢份额(Nicht-Wasserstoffanteil)，即输送给燃料电池的气体的量。尤其地，术语“不良气体”包括氮气和/或氩气和/或二氧化碳和/或一氧化碳的浓度。

所提出的确定方法基于燃料电池系统的确定运行，其中，燃料电池系统在恒定运行点处，在该恒定运行点处例如在燃料电池系统的燃料电池堆中产生恒定的电流并且从燃料电池系统中导出恒定的废气量。相应地，在燃料电池系统的确定运行的情况下，在恒定运行点处存在恒定的运行条件，使得参数、即在确定运行期间变化的测量参量，例如在废气中的氢浓度或冲洗阀的激活频率可以归因于燃料中的变化。

在所提出的确定方法的确定运行中可能的是，根据在燃料电池系统的废气中的氢浓度来识别：在燃料电池系统的阳极路径中是否存在稳定的或者说恒定的不良气体浓度，因为如果在燃料电池系统的阳极路径中存在恒定的不良气体浓度，则在冲洗阀的循环运行时或者说冲洗阀的恒定活动时在燃料电池系统的废气中出现恒定大小的氢浓度。

如果根据在燃料电池系统的废气中的氢浓度来调设或者说激活冲洗阀，则根据冲洗质量流量能够推断出燃料中的不良气体浓度，该冲洗质量流量受对应的燃料电池系统的冲洗阀的活动影响。

一旦确定出不良气体浓度，则这个不良气体浓度能够在输出单元、例如显示装置、尤其是车辆中的显示器、移动计算单元的显示器或对应的燃料电池系统的显示器上被输出。替代地或附加地，根据所求取的不良气体浓度能够调设对应的燃料电池系统，其方式例如是，通过使用不良气体浓度来确定对应的、输送给燃料电池系统的运行介质的浓度。相应地，不良气体浓度能够作为目标函数的交付值

来交付。

尤其设置，所提出的确定方法在以燃料装填燃料电池系统的箱的加燃料过程之后被执行，以便感测由加燃料过程引起的不良气体输入。

能够设置，根据所执行的冲洗循环的数量来确定冲洗质量流量。

尤其设置，根据在对应的燃料电池系统的废气中所求取的氢浓度来控制或者说激活冲洗质量流量或者说冲洗阀的活动。已表明，冲洗阀的过强的活动或者说过高的冲洗频率会导致在确定运行中的燃料电池系统的废气中的氢浓度的连续升高，并且，冲洗阀的过小的活动或者说冲洗频率会导致在确定运行中的燃料电池系统的废气中的氢浓度的连续下降。相应地能够设置，将冲洗阀的活动用作调节参量，以将燃料电池系统的废气中的氢气的浓度调节为恒定的，使得可以推断出所输送的燃料中的不良气体浓度。

然而，如果冲洗阀根据在燃料电池系统的废气中测得的氢浓度被这样控制或者说激活，使得在燃料电池系统的废气中出现恒定的氢浓度，则废气中的氢浓度和冲洗阀的活动彼此相关联。相应地，在所提出的本发明的构型中能够设置，从受冲洗阀的活动影响的冲洗质量流量中推断出在输送给燃料电池系统的燃料中的不良气体的、尤其是氮气的浓度。

此外能够设置，所述冲洗质量流量是借助质量流传感器求取的。

由于冲洗阀的活动或者说活动的频率与冲洗质量流量、即通过冲洗阀排出的介质的质量流相关联，因此根据冲洗阀的活动能够推断出冲洗质量流量。替代地，冲洗质量流量能够直接借助传感器来测量。

一旦在废气浓度恒定的情况下、即在对应的燃料电池系统的废气中的氢浓度在超过预给定的最小时间段上保持不变的情况下已知冲洗质量流量，即例如根据由冲洗阀在确定运行中所执行的冲洗过程的冲洗频率已确定出冲洗质量流量，则能够根据冲洗质量流量来求取在确定运行期间所使用的燃料中的不良气体浓度。为此，能够使用例如预先以实验方式求取出的分配方案，所述分配方案将不良气体浓度的值分配给冲洗质量流量的对应的值。

分配方案能够例如包括数学公式，所述数学公式映射线性的或非线性的关系，以便将不良气体浓度的值分配给冲洗质量流量的在对应的燃料电池系统的确定运行中所求取的值。在此，数学公式可以包括数学模型，所述数学模型例如根据参数、例如系统温度和/或环境温度来匹配在冲洗质量流量的所求取的值和不良气体浓度的值之间的关系。尤其地，数学模型能够基于这种假设：例如在认识到堆栈电流、湿度(该湿度在温度已知的情况下例如被视为100％的相对湿度)和预给定的氮气交叉概率(Stickstoffcrossoverrate)的情况下，用于维持阳极路径中的恒定氮气浓度的清洗质量流仅与燃料中的杂质浓度有关。

此外，能够设置，在确定运行期间，燃料电池系统的冲洗阀的冲洗频率发生变化，直到在由所述燃料电池系统产生的废气中的氢浓度恒定，并且，随后，当在所述废气中的氢浓度恒定时，确定所述冲洗质量流量。

冲洗频率、即激活冲洗阀的频率能够例如借助自动控制回路来增加或减少，直到在对应的燃料电池系统的废气中的氢浓度是恒定的。

能够设置，冲洗阀的激活频率在确定运行中在废气中的氢浓度降低时减小并且在废气中的氢浓度升高时增加。

在确定运行中的恒定运行点处，冲洗频率例如能够在废气中的氢浓度在两个彼此相继的冲洗过程之间降低时减小并且能够在废气中的氢浓度在两个彼此相继的冲洗过程之间升高时增加。一旦在废气中的氢浓度恒定或者说调设到恒定的冲洗频率，即冲洗频率例如在至少两个冲洗过程上不发生变化，则能够根据恒定的冲洗频率来求取不良气体浓度。

在第二方面中，所提出的本发明涉及一种所提出的确定方法的可能构型用于在显示单元上显示燃料的品质的应用。

借助所提出的确定方法求取的不良气体浓度能够用于，求取燃料的品质并且在显示单元上输出该品质。为此，例如借助分配方案能够将品质的特性值分配给不良气体浓度的对应的值。尤其地，该特性值可以相应于不良气体浓度的所求取的值。在此，该特性值能够根据预给定的方案或者说预给定的标度被呈现为有颜色的，以便能够关于标准评估燃料的品质。

在第三方面中，所提出的本发明涉及一种所提出的确定方法的可能构型用于确定在箱系统中的不良气体浓度的应用，所述箱系统用于给燃料电池系统提供燃料。

通过由箱系统提供的燃料的样本能够评估箱系统的不良气体的纯度。相应地，箱系统能够借助配置为用于执行所提出的确定方法的燃料电池系统在箱系统的相应管路中的泄漏或残余气体方面被检查，因为这些泄漏或残余气体会通过燃料中的升高的不良气体浓度来表现出。尤其地，所述确定方法能够在第一步骤中借助直接提供的或者说由已知为无不良气体的箱系统所提供的燃料被执行，并且在第二步骤中利用从要检查的箱系统中提供的相同燃料被执行，使得在第一步骤和第二步骤之间的不良浓度存在偏差的情况下能够认为：该偏差是由要检查的箱系统决定的。

在第四方面中，所提出的本发明涉及一种具有不良气体确定功能的燃料电池系统。燃料电池系统包括燃料电池堆、氢传感器、冲洗阀和控制器，所述氢传感器用于测量在燃料电池系统的废气中的氢浓度，其中，所述控制器配置为用于：在确定运行中在恒定的运行点处针对预给定的持续时长运行所述燃料电池系统，确定在所述确定运行期间借助冲洗阀所调设的冲洗质量流量，根据所确定的冲洗质量流量来求取在输送给燃料电池系统的燃料中的不良气体浓度，并且，在显示单元上输出所求取的不良气体浓度。

在第五方面中，所提出的本发明涉及一种所提出的确定方法的可能构型用于将燃料电池系统调设到最佳运行点的应用。

尤其地，能够定义专门用于探测燃料中的气体品质或者说不良气体浓度的稳定运行点，所述稳定运行点例如在加燃料过程之后被设定。如果燃料电池系统的箱被一次充满，则所述箱通常被均匀地排空，也就是说，没有箱内的分离并且不良气体浓度在取出过程中保持恒定。相应地，在加燃料过程之后所求取的不良气体浓度能够用于校准燃料电池系统、尤其是阳极子系统，以便调设燃料电池系统的对应的运行参数。

能够设置，通过使用其中对应的不良气体和对应的燃料可能会发生分离的箱系统，使用校正项来校正根据本发明所求取的不良气体浓度。所述校正项能够例如根据自加燃料过程起已经过的时间在数学上映射在箱系统中的分离。

所提出的燃料电池系统尤其用于执行所提出的确定方法。

能够设置，所述控制器配置为用于，经由输出接口将对应的所求取的不良气体浓度传输到中央服务器上，以便将对应的所求取的不良气体浓度提供给与所述中央服务器连接的计算单元。

附图说明

本发明的另外的优点、特征和细节由参考附图详细描述了本发明的实施例的以下说明书中得出。在此，在权利要求中和在说明书中提到的特征能够分别单独地或在任意组合中对本发明来说是关键的。

附图示出：

图1所提出的确定方法的一种可能构型，

图2所提出的燃料电池系统的一种可能构型。

具体实施方式

在图1中示出确定方法100。该确定方法包括用于在确定运行中在恒定运行点处针对预给定的持续时长运行燃料电池系统的控制步骤101。在此，燃料电池系统以燃料电池堆中的恒定电流并且以恒定的废气量运行。此外，连续地或以规律的间隔地确定在燃料电池系统的废气中的氢浓度。

此外，确定方法100包括用于确定在确定运行期间所调设的冲洗质量流量的确定步骤103。在此，例如感测激活燃料电池系统的冲洗阀的冲洗频率。替代地，能够将质量流传感器使用在燃料电池系统的废气系中，以测量冲洗质量流量。

一旦燃料电池系统在确定运行中在恒定运行点处被运行，则根据在燃料电池系统的废气中测得的氢浓度来改变激活冲洗阀的冲洗频率。为此，在氢浓度降低时减小冲洗频率，或者说，在氢浓度升高时增加冲洗频率。

一旦在燃料电池系统的废气中的氢浓度在确定运行期间是恒定的，则执行求取步骤105，在所述求取步骤中根据由冲洗阀所调设的冲洗质量流量来确定在燃料中的不良气体浓度。氢浓度能够例如是恒定的，如果这个氢浓度在两个冲洗过程之间不变化或仅变化了小于预给定的量值。

为了求取不良气体浓度，能够例如借助预给定的分配方案将不良气体浓度的值分配给所求取的冲洗质量流量值。在此，该分配方案能够例如借助试验装置(Versuchsaufbauten)被预先求取和/或包括数学公式，该数学公式在数学上建模或映射在冲洗质量流量和不良气体浓度之间的关系，尤其是通过使用在燃料电池堆中的电流、从阳极到阴极的氮气转移以及阳极路径中的湿度等参数。

在输出步骤107中，将通过求取步骤所求取的不良气体浓度输出在显示单元上。替代地或附加地，所求取的不良气体浓度能够用于校准燃料电池系统，以便例如将燃料电池系统的对应的运行参数适配于所求取的不良气体浓度。

在图2中示出燃料电池系统200。燃料电池系统200包括燃料电池堆201、用于测量在燃料电池系统200的废气中的氢浓度的氢传感器203、冲洗阀205和控制器207。

控制器207可以是例如燃料电池系统200的控制装置或任何其他可编程的计算单元。该控制器配置为用于，在确定运行中在恒定运行点处针对预给定的持续时长运行燃料电池系统200，确定在确定运行期间借助冲洗阀205所调设的冲洗质量流量，根据所确定的冲洗质量流量来求取在输送给燃料电池系统200的燃料中的不良气体浓度，并且在显示单元209上输出所求取的不良气体浓度。

为了输出所求取的不良气体浓度，控制器209能够经由输出接口211而与显示单元209处于通信连接中，所述控制器可以是例如处理器、计算机、控制装置ASIC或任何其他可编程元件。当前，显示单元209是燃料电池系统200的用户的智能手机。

例如，能够在显示单元209上向用户呈现不良气体浓度随着时间的变化过程和/或不良气体浓度的跨不同加燃料过程或箱系统的变化过程，使得用户能够识别具有特别低或特别高的不良气体浓度的箱系统。

经由输出接口209能够将对应的所求取的不良气体浓度传送给可选的中央服务器213，例如云服务器。存储在中央服务器213上的不良气体浓度能够被传输给与中央服务器213连接的计算单元，例如智能手机，以便将对应的箱系统的对应的所求取的不良气体浓度例如通知给其他用户。

Claims (11)

1.一种用于确定在用于运行燃料电池系统(200)的燃料中的不良气体份额的确定方法(100)，

其中，所述确定方法(100)包括：

-在确定运行中在恒定运行点处针对预给定的持续时长运行(101)所述燃料电池系统(200)，

-确定(103)在所述确定运行期间所调设的冲洗质量流量，

-根据所确定的冲洗质量流量来求取(105)在所述燃料中的不良气体浓度，

-在显示单元(209)上输出(107)所求取的不良气体浓度和/或根据所求取的不良气体浓度来调设所述燃料电池系统。

2.根据权利要求1所述的确定方法(100)，

其特征在于，

根据所执行的冲洗循环的数量来确定所述冲洗质量流量。

3.根据权利要求1或2所述的确定方法(100)，

其特征在于，

所述冲洗质量流量是借助质量流传感器所求取的。

4.根据前述权利要求中任一项所述的确定方法(100)，

其特征在于，

借助分配方案来求取所述不良气体浓度，所述分配方案在数学上映射用于所述燃料电池系统(200)的冲洗质量流量和不良气体浓度之间的关系。

5.根据前述权利要求中任一项所述的确定方法(100)，

其特征在于，

在所述确定运行期间，所述燃料电池系统(200)的冲洗阀(205)的冲洗频率发生变化，直到在由所述燃料电池系统(200)产生的废气中的氢浓度恒定，并且

其中，随后，当在所述废气中的氢浓度恒定时，确定所述冲洗质量流量。

6.根据权利要求5所述的确定方法(100)，

其特征在于，

在所述确定运行中所述冲洗阀(205)的激活频率在所述废气中的氢浓度降低时减小并且在所述废气中的氢浓度升高时增加。

7.一种根据权利要求1至6中任一项所述的确定方法(100)的应用，用于在显示单元(209)上显示燃料的品质。

8.一种根据权利要求1至6中任一项所述的确定方法(100)的应用，用于确定在箱系统中的不良气体浓度，所述箱系统用于给燃料电池系统提供燃料。

9.一种根据权利要求1至6中任一项所述的确定方法(100)的应用，用于将燃料电池系统调设到最佳运行点。

10.一种燃料电池系统(200)，其具有不良气体确定功能，

其中，所述燃料电池系统(200)包括：

-燃料电池堆(201)，

-氢传感器(203)，所述氢传感器用于测量在所述燃料电池系统(200)的废气中的氢浓度，

-冲洗阀(205)，

-控制器(207)，

其中，所述控制器(207)配置为用于：

-在确定运行中在恒定运行点处针对预给定的持续时长运行所述燃料电池系统(200)，

-确定在所述确定运行期间借助所述冲洗阀(205)所调设的冲洗质量流量，

-根据所确定的冲洗质量流量来求取在输送给所述燃料电池系统(200)的燃料中的不良气体浓度，并且，

-在显示单元(209)上输出所求取的不良气体浓度。

11.根据权利要求10所述的燃料电池系统(200)，

其中，所述控制器(207)配置为用于，经由输出接口(211)将对应的所求取的不良气体浓度传输给中央服务器(213)，以便将对应的所求取的不良气体浓度提供给与所述中央服务器(213)连接的计算单元。

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