CN116724428A - 用于保护燃料电池系统的部件的方法 - Google Patents

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Abstract

用于保护燃料电池系统(1)的部件的方法，其中，所述燃料电池系统(1)具有燃料电池堆(101)、空气路径(10)、排气线路(12)和带有再循环回路(50)的燃料线路(20)，该方法包括以下步骤：监测所述空气路径(10)的故障；关闭位于所述空气路径(10)中的第一阀(61)和关闭位于所述排气线路(12)中的第二阀(62)；切断所述净化阀(41)；降低在所述空气路径(10)中在所述第一阀(61)上游的压力；如果所述燃料电池系统(1)的继续运行是可能的：提高在所述空气路径(10)中在所述第一阀(61)上游的压力；解锁所述净化阀(41)；打开所述第一阀(61)和所述第二阀(62)；使所述燃料电池系统(1)继续运行。

Description

用于保护燃料电池系统的部件的方法
技术领域
本发明从一种用于保护燃料电池系统的部件的方法出发。
背景技术
基于氢气的燃料电池系统被认为是未来的可移动性设计，因为它们仅仅将水作为废气排放并且实现快的加油时间。在这里，燃料电池系统需要空气和氢气用于在电池内部的化学反应。为了提供所需要的能量，布置在燃料电池系统内部的燃料电池相互连接成为所谓的燃料电池堆。在这里，电池的余热借助于冷却回路导出并且向周围环境放出。对于燃料电池系统的运行必要的氢气通常从高压箱提供给系统以供使用。
发明内容
本发明的主题是一种根据本发明的方法。从优选实施方式中得出本发明的另外的特征和细节。
根据本发明的方法使用于，保护燃料电池系统的部件以免受由于燃料电池系统的故障和由此导致的快速的压力下降而产生的损坏，而所引入的措施不引起非期望的后续反应或者后续损坏。
例如，由于在空气路径中的泄漏，如由于松开的软管连接而可能会发生在空气路径中的故障。一种其他的故障可能是由于空气压缩机的“泵送”而发生。
如果检测到空气压缩机“泵送”故障，则在空气路径和布置在其中的部件、尤其是空气压缩机或者阀内部可能发生损坏。
由于此原因，在存在着这种故障的情况下，必须快速地降低在空气压缩机和燃料电池堆之间的压力。在这里，通过关闭第一阀和第二阀确保，在被截断的区域中的压力不改变或者仅仅少量地改变，从而满足燃料电池堆在具有空气、燃料和冷却剂的三种介质系统之间的压力差要求。如果不维持在介质系统之间的压力差，则可能发生燃料电池堆的膜的损坏。
在存在着基于在空气路径中的泄漏、如由于松开的软管连接而产生的故障的情况下，通过关闭第一阀和第二阀也可以确保，在被截断的区域中的压力不改变或者仅仅少量地改变。
在第一阀和第二阀已经关闭并且因此确保燃料电池堆以免受非期望的压力波动之后，可以降低在空气路径中的压力。
由于在空气路径中的压力在故障之后降低，可以保护在空气路径中的部件以免受基于非期望的高的压力或者基于泄漏而产生的损坏。这对于部件的使用寿命和因此完整的燃料电池系统的使用寿命是重要的。
用于保护燃料电池系统的部件的、根据本发明的方法(其中，燃料电池系统具有燃料电池堆、空气路径、排气线路和带有再循环回路的燃料线路)包括以下步骤：
-监测空气路径的故障；
-关闭位于空气路径中的第一阀，和关闭位于排气线路中的第二阀；
-切断净化阀；
-降低在空气路径中在第一阀上游的压力；
-如果燃料电池系统的继续运行是可能的：
-提高在空气路径中在第一阀上游的压力；
-解锁净化阀；
-打开第一阀和第二阀；
-使燃料电池系统继续运行。
除了上面已经提到的优点之外，在空气路径中在第一阀上游的压力降低之前切断净化阀是有利的，因为否则空气路径和因此还有排气线路的空气可能会不再足够用于稀释在废气中由清洗过程而引起的H2浓度。类似的优点由此产生：只有当在空气路径中的压力又提高，从而存在着足够大的质量流以供使用于稀释H2浓度时，才能够解锁放气阀。
根据本发明的燃料电池系统的有利的构型和拓展方案在从属权利要求中说明。
有利的是，存储在关闭第一阀和第二阀的时间点在第一阀和燃料电池堆之间的空气路径中的压力，因为，如果在燃料电池系统继续运行时使第一阀上游的压力与在被截断的区域中的压力均衡，则该压力可以作为参考值使用。
通过打开旁通阀来降低在空气路径中的压力从而空气可以从空气路径通过旁通管流到排气线路中是有利的，因为这实现快速和有效的压力降低。
如果为了降低在空气路径中的压力而打开在空气路径中和在废气路径中的另外的阀和/或节流闸门和/或涡轮机旁路，则产生另外的优点。
有利的是，为了降低在空气路径中的压力而降低空气压缩机的功率或者使其停机，因为以此方式将更少的空气或者不再将任何空气运送到在空气压缩机和第一阀之间的区域中，并且在空气压缩机上的压力比因此而降低。
有利的是，在打开第一阀和第二阀之前，使在空气路径中在第一阀上游的压力水平与在被截断的区域中的压力水平相匹配，以便在第一阀和第二阀打开时在空气路径中不发生压力冲击。在这里，压力水平的适配可以通过第一阀和第二阀的节拍式打开来进行，从而以小的步距接近不同的压力水平。
为了提高在空气路径中的压力，可以根据到迄今为止所引入的措施以有利的方式来关闭旁通阀，和/或关闭在空气路径中和/或在排气线路中的另外的阀和/或节流闸门和/或涡轮机旁路。替代地，为了提高在空气路径中的压力而可以提高空气压缩机的功率。
对在阴极路径中的压力适配附加地或者替代地，也可以适配阳极压力。为了遵守电池堆(在阳极侧和阴极侧之间)的压力差要求，可以打开净化阀。由此，可以使在再循环回路中的压力与在被截断的区域63中的压力水平加上偏移量相匹配。该偏移量涉及由燃料电池堆所需要的、在阳极侧和阴极侧之间的压力差。
根据本发明的方法尤其可以使用在燃料电池运行的机动车中。然而，同样地，也可设想在如起重机、船舶、轨道车辆、飞行物这样的其他的燃料电池运行的运输工具中的使用，或者也在固定的、燃料电池运行的对象中的使用。
附图说明
附图示出：
图1示出根据本发明的燃料电池系统的示意性的示图，和
图2示出根据本发明的方法的单个的步骤的流程图。
具体实施方式
在图1中示出根据本发明的一个实施例的燃料电池系统1的示意性的拓扑结构，该燃料电池系统具有至少一个燃料电池堆101。该至少一个燃料电池系统1具有空气路径10、排气线路12和燃料线路20。至少一个燃料电池堆101可以使用于具有高的功率需求的移动应用(例如在卡车中)，或者使用于固定的应用中(例如在发生器中)。
空气路径10作为空气供入管使用，以便来自周围环境的空气通过入口16供入燃料电池堆101的阴极105。在空气路径10中布置有对于燃料电池堆101的运行所需要的部件。空气压缩机11和/或压缩机11布置在空气路径10中，所述空气压缩机和/或压缩机根据燃料电池堆101的相应的运行条件来压缩或者抽吸空气。加湿器15可以位于空气压缩机11和/或压缩机11下游，所述空气压缩机和/或压缩机使在空气路径10中的空气富含更高的湿气。
在空气路径10内部还可以设置如例如过滤器和/或热交换器和/或阀这样的另外的部件。通过空气路径10将含有氧气的空气提供给燃料电池堆101。
此外，燃料电池系统1具有排气线路12，在所述排气线路中，水以及来自空气路径10的空气的另外的组成部分在经由燃料电池堆101通过之后通过出口18运送到周围环境中。排气线路12的废气也可以包含氢气(H2)，因为部分的氢气可以穿过燃料电池堆101的膜扩散或者通过清洗管40运送到排气线路中。
空气通路10通过旁通管66与排气线路12连接。旁通阀65布置在旁通管66内部，以便将空气从空气路径10在燃料电池堆101旁经过地引导至排气线路12。
旁通管66和阴极105之间，在空气路径10中布置有第一阀61，并且在排气线路12中布置有第二阀62。通过关闭第一阀61和第二阀62，可以将阴极105保持在固定的压力水平上或者保护其以防非期望的压力降低。
此外，燃料电池系统1可以具有冷却回路，所述冷却回路构造用于冷却燃料电池堆101。在图1中未画入冷却回路，因为它不是本发明的组成部分。
高压箱21和截断阀22位于燃料线路20的输入端中。另外的部件可以布置在燃料线路20中，以便根据需求以燃料供给燃料电池堆101的阳极侧103。
为了总是以燃料充分地供给燃料电池堆101，存在着通过燃料线路20对燃料进行超过在化学计量学上倾斜地计量的必要性。多余的燃料以及一定量的水和氮气经由电池膜扩散阳极侧上，所述燃料以及水和氮气送回再循环回路50中并且与来自燃料线路20的经计量的燃料混合。
为了驱动在再循环回路50中的流，可以安装如例如借助经计量的燃料运行的喷射泵51或者通风机52这样的不同的部件。喷射泵51和通风机52的组合也是可能的。
因为水和氮气的量随着时间而越来越多地增加，再循环回路50必须时不时地被冲洗，从而燃料电池堆101的有效功率不会由于在燃料线路20中的过高的氮气浓度而下降。
净化管40布置在再循环回路50和排气线路12之间，从而气体混合物可以从再循环回路50流到排气线路12中。
在净化管40中布置有净化阀41，所述净化阀可以打开和关闭在再循环回路50和排气线路12之间的连接。净化阀41通常打开短的时间，从而气体混合物通过净化管40被引到排气线路12中。
图2示出用于保护燃料电池系统1的空气路径10中的部件的、根据本发明的方法的单个的步骤的流程图。
在方法步骤100中，监测空气路径10的故障。该故障可以涉及例如在空气压缩机11和燃料电池堆101之间的空气路径10中的太高的压力或者在空气路径10内部的泄漏。尤其是当空气压缩机11“泵送”时，太高的压力可能出现。在这里，空气压缩机11处于其特性曲线图的不稳定的区域中，尤其是在确定的压力下低于最小质量流时，所述不稳定的区域出现。
如果在空气路径10中探测到故障，则在方法步骤200中，位于空气路径10中的第一阀61和位于排气线路12中的第二阀62被关闭。通过关闭第一阀61和第二阀62产生被隔离的区域63，所述被隔离的区域63位于第一阀61和第二阀62之间并且包括燃料电池堆101的阴极侧105。
在方法步骤300中，净化阀41被锁住，这意味着，不再遵守打开净化阀41的要求。
在方法步骤400中，降低在空气路径10中在第一阀61上游的压力。
为了降低在空气路径10中的压力，可以打开旁通阀65，从而空气可以从空气路径10通过旁通管66流到排气线路12中。
替代地或者附加地，可以打开在空气路径10中和/或排气线路12中的另外的阀和/或节流闸门和/或涡轮机旁路以便降低在空气路径10中的压力。
在一种另外的实施方式中，除了上述所提到的、用于降低在空气路径10中的压力的两种可能性之外，可以降低空气压缩机11的功率或者使其停机。
在一种另外的实施方式中，可以存储在第一阀61和第二阀62关闭的时间点在第一阀61和燃料电池堆101之间的空气路径10中的压力。当不存在严重的错误并且燃料电池系统1的继续运行是可能的时，该压力值尤其重要。在这种情况下，所存储的压力值被作为用于在被隔离的区域63中和在空气路径10中在第一阀61上游的压力的均衡的参考。
在一种方法步骤500中，检查，燃料电池系统1的继续运行是否可能。
如果继续运行是可能的，则在方法步骤510中，提高在空气路径10中在第一阀61上游的压力。
如果由于空气压缩机11的“泵送”事件而出现高的压力，则继续运行是可能的。在这种情况下，未来的继续运行可无问题地并且在没有对系统参数的随后地适配的情况下实现。如果空气压缩系统因故障而只能受限地运行，则继续运行也是可能的。这可以例如由于空气压缩机11的故障或者由于阀的故障而存在。
在这种情况下，燃料电池系统1只能以下降的功率受限地继续运行。为此，必须进行对对于燃料电池系统1的运行所需要的参数的适配。这可以是例如净化阀41的缩短的打开时间，因为在排气线路12中存在着更小量的空气用于稀释H2浓度。以下探讨关于经适配的参数的另外的细节，因为这不是本发明的主题。
为了提高在空气路径10中的压力，可以关闭在空气路径10中和/或排气线路12中的旁通阀65和/或另外的阀和/或节流闸门和/或涡轮机旁路。
在一种替代的实施方式中，替代地或者附加地，可以提高空气压缩机11的功率，以便提高在空气路径10中的压力。
在方法步骤520中，可以解锁净化阀41。这意味着，如果存在着对燃料电池系统1的净化的要求，则这又是可能的。由于在空气路径10中的压力提高，也可以在排气线路12中又提供空气的质量流，所述空气的质量流被需要用于稀释H2浓度。
在一种可选的方法步骤530中，使在被截断的区域63中的压力水平可以与在空气路径10中在第一阀61上游的压力水平相匹配。
对在被截断的区域63和空气路径10之间的压力的适配附加地或者替代地，也可以适配在再循环回路50中的压力，以便维持电池堆(在阳极侧和阴极侧之间)的压力差要求。为此，在再循环回路51中的压力水平的下降通过净化阀41的打开来进行。在这里，在再循环回路中的压力应下降到在被截断的区域63中的压力加上偏移量上。其中，偏移量这样选择，使得其不超过200毫巴的压力。在特殊情况下，高达400毫巴的压力是可能的。但是，这些值决定性地取决于燃料电池堆101的类型和构型。
在一种另外的实施方式中，替代地或附加地，压力水平的适配可以通过第一阀61和第二阀62的节拍式打开来进行。在这里，进行在被截断的区域63中的压力的逐级地均衡，直到在被截断的区域63中和在空气路径10中在第一阀61上游的压力水平被均衡到这样的程度，使得第一阀61和第二阀62可以完全地被打开。
但是，无论如何，如果例如在这些区域之间的压力差不太大，则在被截断的区域63和在第一阀61上游的空气路径10之间的压力的均衡是不必要的。
在在方法步骤550中进行燃料电池系统1的继续运行之前，在方法步骤540中打开第一阀61和第二阀62。
如果燃料电池系统1由于严重的故障而不可以继续运行，则在方法步骤560中可以准备并进行“排放”，也就是说，通过电流的起作用而使在被截断的区域63的空气中的氧气绝大部分地被消耗。
可选地，在这种情况下，也可以通过第一阀61和第二阀62和净化阀41的并行地短时间地打开来实行在被截断的区域63中的高的压力水平。以此方式，并行地和逐步地降低在燃料电池堆101的阴极侧105上的被截断的区域63中的压力和在其阳极侧103上的再循环回路50中的压力。该过程也可以以较大的时间间距执行，以便让在周围环境中的H2浓度在净化阀41打开之后通过扩散而衰减。

Claims (10)

1.一种用于保护燃料电池系统(1)的部件的方法，其中，所述燃料电池系统(1)具有燃料电池堆(101)、空气路径(10)、排气线路(12)和带有再循环回路(50)的燃料线路(20)，该方法包括以下步骤：
-监测所述空气路径(10)的故障；
-关闭位于所述空气路径(10)中的第一阀(61)，和关闭位于所述排气线路(12)中的第二阀(62)；
-切断净化阀(41)；
-降低在所述空气路径(10)中在所述第一阀(61)上游的压力；
-如果所述燃料电池系统(1)的继续运行是可能的，则：
-提高在所述空气路径(10)中在所述第一阀(61)上游的压力；
-解锁所述净化阀(41)；
-打开所述第一阀(61)和第二阀(62)；
-使所述燃料电池系统(1)继续运行。
2.根据权利要求1所述的方法，
其特征在于，存储在关闭所述第一阀(61)和所述第二阀(62)的时间点在所述第一阀(61)和所述燃料电池堆(101)之间的空气路径(10)中的压力。
3.根据权利要求1所述的方法，
其特征在于，
为了降低所述空气路径(10)中的压力，打开旁通阀(65)，使得空气可以从所述空气路径(10)经由旁通管线(66)流入所述排气管线(12)中。
4.根据权利要求3所述的方法，
其特征在于，
为了降低所述空气路径(10)中的压力，打开在所述空气路径(10)中和/或在所述排气线路(12)中的另外的阀和/或节流闸门和/或涡轮机旁路。
5.根据权利要求1所述的方法，
其特征在于，
为了降低所述空气路径(10)中的压力，降低空气压缩机(11)的功率或者使该空气压缩机停机。
6.根据权利要求2所述的方法，
其特征在于，
在所述第一阀(61)和第二阀(62)打开之前，使所述空气路径(10)在所述第一阀(61)上游的压力水平适配于被截断的区域(63)中的压力水平。
7.根据权利要求6所述的方法，
其特征在于，所述压力水平的适配通过所述第一阀(61)和/或所述第二阀(62)的节拍式打开来进行。
8.根据权利要求2至7中任一项所述的方法，
其特征在于，在所述再循环回路(50)中的压力水平的下降通过净化阀(41)的打开来进行，从而将所述再循环回路(50)中的压力降低至被截断的区域(63)中的压力水平加上偏移量。
9.根据以上权利要求中任一项所述的方法，
其特征在于，
为了提高在所述空气路径(10)中的压力，关闭所述旁通阀(65)，和/或关闭在所述空气路径(10)和/或所述排气线路(12)中的另外的阀和/或节流闸门和/或涡轮机旁路。
10.根据以上权利要求中任一项所述的方法，
其特征在于，为了提高所述空气路径(10)中的压力，提高所述空气压缩机(11)的功率。
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