用于补偿燃料电池系统的阳极区段中由温度引起的压力升高的方法与流程

电气元件制品的制造及其应用技术用于补偿燃料电池系统的阳极区段中由温度引起的压力升高的方法背景技术：1.燃料电池驱动的机动车本身是已知的。所述机动车包括具有阳极子系统的燃料电池系统，在所述阳极子系统中通常设有压力调节器，所述压力调节器将高压区域与中压区域分开。中压区域又与燃料电池堆的阳极通过堆截止阀分开。可能出现的情况是：在机动车停止之后，在中压区域中的压力如此强烈地升高，使得被包围在中压区域中的燃料经由随后触发的安全阀逸出。这种燃料排出是不希望的。技术实现要素：2.在此公开的技术的一个优选的目的是，减少或消除先前已知的解决方案的至少一个缺点，或者提出一种替代的解决方案。特别地，在此公开的技术的一个优选的目的是，避免在停车期间由温度引起的燃料排放，而这不对其他参数、如阳极子系统的制造成本、重量或空间需求产生强烈负面的影响。其他优选的目的可以从在此公开的技术的有利效果中得出。所述目的通过权利要求1的技术方案来实现。从属权利要求是优选的设计方案。3.在此公开的技术涉及一种用于至少部分地补偿燃料电池系统、尤其是机动车的燃料电池系统中由温度引起的压力升高的方法。阳极供给路径将燃料电池堆与至少一个燃料源连接。在阳极供给路径中设有阳极侧的堆截止阀。阳极侧的堆截止阀设置用于禁止从阳极供给路径的阳极区段向燃料电池堆输入燃料。在阳极区段中设有过压阀。过压阀设置用于当阳极区段中的压力超过触发压力时将燃料从阳极区段导出。在燃料电池系统的关断状态下，阳极区段中的压力由于燃料升温而升高。所述方法包括如下步骤，根据所述步骤，在燃料电池系统的关断状态下、尤其是在阳极区段中的压力升高期间，仍在阳极区段中由于燃料升温而升高的压力达到过压阀的触发压力之前，打开阳极侧的堆截止阀，用于使阳极区段卸载压力，从而可避免燃料从阳极子系统导出。打开例如可以基于时间或基于压力进行。4.在此公开的技术涉及一种具有至少一个燃料电池的燃料电池系统。燃料电池系统例如被设想用于诸如机动车(例如轿车、摩托车、商用车)的移动应用，尤其用于为至少一个驱动机提供能量以用于使机动车前进运动。燃料电池在其最简单的形式中是一种将燃料和氧化剂转化为反应产物并且同时产生电和热的电化学能量转换器。所述燃料电池包括阳极和阴极，所述阳极和阴极通过离子选择性的或者说离子可透的分离器分隔开。阳极被供给燃料。优选的燃料是：氢、低分子量醇、生物燃料或液化天然气。阴极被供应氧化剂。优选的氧化剂例如是空气、氧气和过氧化物。离子选择性的分离器例如可以构成为质子交换膜(proton exchange membrane，pem)。优选应用阳离子选择性的聚合物电解质膜。用于这种膜的材料例如是：料例如是：和5.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部件，所述外围的系统部件能够在所述至少一个燃料电池运行时使用。通常，多个燃料电池组合成一个燃料电池堆或者说堆。6.阳极子系统由燃料电池系统的引导燃料的构件构成。阳极子系统可以具有至少一个燃料源(通常是压力容器)、至少一个储箱截止阀、至少一个减压器、至少一个通向燃料电池堆的阳极入口的阳极供给路径、燃料电池堆中的阳极室、至少一个从燃料电池堆的阳极出口离开的再循环路径、至少一个水分离器、至少一个阳极冲扫阀、至少一个主动或被动燃料再循环输送器以及其他元件。阳极子系统的主要任务是将燃料引导和分配给阳极室的电化学活性面和排出阳极废气。7.燃料电池系统包括阴极子系统。阴极子系统由引导氧化剂的构件形成。阴极子系统可以具有至少一个氧化剂输送器、至少一个通向阴极入口的阴极流入路径、至少一个从阴极出口离开的阴极废气路径、燃料电池堆中的阴极室以及其他元件。8.阳极供给路径在所述至少一个燃料源与燃料电池堆的阳极之间建立流体连通。所述阳极供给路径可以通过多个阳极输入管路或一个输入管路系统构成，这些输入管路将在阳极供给路径中的不同部件彼此连接。9.阳极供给路径可以包括减压器，该减压器在上游与燃料源连接，并且阳极区段可以设置在减压器下游。所述减压阀构成为用于将施加在减压器入口处的燃料入口压力减小到施加在减压器出口处的燃料出口压力或者说背压。在最简单的形式中，它可以是节流阀。减压器通常包括减压阀，尽管入口压力不同，该减压阀仍确保在出口侧不超过确定的出口压力。燃料在减压器中膨胀。减压器的关闭压力、也称为锁闭压力是如下的压力，减压器从该压力起中断减压器入口和出口之间的流体连通。10.在此公开的阳极区段尤其是减压器下游并且堆截止阀上游的区段并且也被称为阳极子系统的中压区域。11.所述至少一个阳极侧的堆截止阀是如下的阀装置，所述阀装置能够相对于阳极子系统的其余部件气密地(除了泄漏流之外)封闭燃料电池堆。特别地，阳极侧的堆截止阀将燃料电池堆与阳极供给路径的其他区段分开。堆截止阀用于在机动车不使用的阶段中除了泄漏流之外禁止燃料进入到燃料电池堆的由堆截止阀基本上封闭的阳极室中。例如，比例阀或喷射器可以构成堆截止阀。有利地，这种阀可以同时用作另外的减压器和/或计量阀。12.所述过压阀设置在所述阳极区段或者说中压区域中，并且如果阳极区段中的压力达到或者超过过压阀的触发压力，就对所述阳极区段卸载。优选地，过压阀是机械阀，所述机械阀能打开和再次关闭。过压阀的触发压力大于减压器的关闭压力，例如比关闭压力大大约10％至大约20％。特别地，过压阀设计成使得过压阀通常在过高的压力可能损坏阳极区段的部件之前触发。13.燃料源可以是压力容器、特别是低温压力容器或高压气体容器。高压气体容器构成为用于在环境温度下在至少350barü(＝相对于大气压的过压)或至少700barü的标称运行压力(也称为标称工作压力或nwp)下持久地储存燃料。低温压力容器适合于在上述运行压力下即使在明显低于(例如多于50开尔文或多于100开尔文)机动车最低运行温度的温度下也储存燃料。14.燃料电池系统的关断也被称为关停或尾流(nachlauf)。关断包括将燃料电池系统转移到如下状态中的所有步骤，燃料电池系统能在机动车的停车状态中停留在所述状态中。在机动车处于停车状态的阶段之前不久或开始时，关断燃料电池系统。根据在此公开的技术，如果车辆用户已离开机动车，机动车就处于停车的状态中或处于“停放”状态中。通常，机动车在停放的状态下处于所述机动车消耗最小的电能以实现最大的停机时间的状态。因此，在该状态中适宜地仅如下功能可用，所述功能用于将机动车重新置于准备运行的状态中(尤其是中央闭锁装置、评估无线电钥匙)并且确保机动车的安全停放(例如停车灯、驻车制动器、防盗报警设备等)。除了这些功能之外，在停车的状态下还可接通另外的自给自足功能。燃料电池系统的控制器在“停车”状态下被关闭并且通常仅当机动车应再次转换到准备行驶的状态中或者要执行至少一个自给自足功能时才接通。尤其是当通过中央闭锁装置已进行安全保护和在车辆中在一定时间内不能察觉车辆用户的活动时、即车辆用户大概不在车辆中时，“停车”状态便可以存在。15.在燃料电池系统的关断状态下，在阳极区段中的压力通常由于燃料升温而升高。在燃料电池系统进入关断状态时的时刻，阳极区段中的压力基本上对应于减压器的关闭压力。16.如果使用至少一个压力容器作为燃料储存器，则燃料在取出期间由于其在阳极供给路径中膨胀而强烈地冷却。同时，机动车尤其在夏季在许多国家可能经受高的环境温度，从而尤其是在减压器下游在阳极区段中存在的燃料和阳极区段的紧邻环境之间产生大的温差。在升温的阳极区段的紧邻环境中的温度也可称为结构室温。结构室温受机动车环境中的外部温度和来自其他部件、例如燃料电池堆、功率电子设备等的废热影响。该温差引起阳极区段中的燃料明显升温。由于燃料被包围在阳极区段内，所以阳极区段内的压力逐渐升高。17.在此公开的技术包括如下步骤，根据该步骤，尤其是在阳极供给路径中的压力升高期间，仍在该区段中的升高的压力达到过压阀的触发压力之前，打开阳极侧的堆截止阀，用于对阳极区段卸载压力。在阳极侧的堆截止阀下游，压力小于在阳极区段中的压力。因此，升温的燃料在阳极侧的堆截止阀打开之后流入燃料电池堆的阳极室中，由此在阳极区段中的压力显著降低。因此有利地避免了：为了保护构件，燃料经由然后触发的过压阀排放到环境中。也可以使用具有较低触发压力的过压阀。总之，阳极区段的构件可以针对较低的最大压力来设计。这通常对制造成本、重量和结构空间需求产生积极影响。18.阳极侧的堆截止阀可以为了卸载压力仅短暂地打开，例如小于1分钟、10秒或小于1秒或小于100毫秒。这具有的优点是：阀仅在为了卸载压力所需的时间内打开，并且阳极子系统的各个引导燃料的区域在其他情况下彼此分开。如果设有多个截止阀，则也可以仅打开一个堆截止阀。打开时间尤其可以根据所使用的技术(例如比例阀、喷射器等)而变化。19.适宜地，阳极侧的堆截止阀为了卸载压力在从燃料电池系统进入关断状态时的时刻起经过确定的第一持续时间之后才打开。这是可以设定的，以便阳极区段中的压力首先由于燃料升温也可以显著升高。在一个设计方案中可规定，在燃料升温期间进行多次卸载压力。在第一次卸载压力和第二次卸载压力之间的持续时间为第二持续时间。所述第二持续时间比第一持续时间长。这是有利的，因为在第一次卸载压力之后阳极区段中的压力会更慢地上升并且通常堆截止阀应该尽可能少地打开。第一持续时间和/或第二持续时间可以在3分钟至20分钟之间或者在5分钟至10分钟之间。20.第一持续时间和/或第二持续时间可以基于直接或间接指示在升温的阳极区段的紧邻环境中的温度的环境温度值来确定。因此，环境温度值指示结构室温。例如，可以在机动车内确定对于机动车的外部温度(通过测量或检测服务器的相应信息)，并且该外部温度可以与对应的结构室温相配。结构室温和环境温度之间的相关性可以例如通过模拟和/或试验序列来确定。21.第一持续时间和/或第二持续时间可以基于直接或间接指示阳极区段中的燃料温度的燃料温度值来确定。在一个设计方案中，燃料温度值可以由阳极区段中的温度传感器检测。在另一设计方案中，检测压力容器中的燃料温度，并且依据所检测的压力容器中的燃料温度近似阳极区段中的温度。压力容器中的温度与阳极区段中的温度之间的相关性可以通过试验和/或模拟来确定。22.第一持续时间和/或第二持续时间可以通过存储在燃料电池系统中的特性曲线族来确定。特性曲线族例如可以存储在控制器的非易失性存储器中。在特性曲线族中可以存储持续时间的不同的值，所述值分别取决于环境温度值、燃料温度值和直接或间接指示在阳极区段中在燃料电池系统进入关断状态时的时刻的初始压力的初始压力值。在一个设计方案中，可以测量阳极区段中的压力。在另一设计方案中，可以在阳极供给路径的另一部位处检测压力，并且由该值近似阳极区段中的初始压力。代替压力检测，也可以确定由于阳极区段中的容积不变而同样会指示初始压力的密度。因此，根据特性曲线族可以针对不同的初始压力、环境温度和燃料温度确定不同的持续时间。因此可以确保仅执行少量的卸载压力。因此，阳极侧的堆截止阀尽可能经常或者说尽可能长时间地关闭并且燃料电池系统的控制器必须在停车期间尽可能少地激活，这对停车期间的能量消耗产生积极影响。23.在一个设计方案中可以规定，在燃料电池系统关断期间确定第一持续时间、第二持续时间、燃料温度值、环境温度值和/或初始压力值，燃料电池系统的控制器在第一持续时间和/或第二持续时间期间不起作用，并且为了卸载压力将燃料电池系统的控制器激活。为此，可以在上级控制装置中使用计时器，其重新激活燃料电池系统的控制器。24.在另一设计方案中，所述方法可以包括以下步骤：25.——检测指示在燃料电池系统的关断状态下在燃料升温期间在阳极区段(md)中的当前压力的压力值；和26.——如果在阳极区段中检测到的压力值超过边界值，就打开阳极侧的堆截止阀。27.因此，在另一设计方案中可以规定，燃料电池系统的控制器保持起作用，直到阳极区段中的燃料升温到如此程度，使得以足够的概率不再需要卸载压力。尤其是可以规定，控制器直接或间接地检测阳极区段中的压力。为此，例如可以在阳极区段中设有压力传感器。如果在阳极区段中检测到的压力超过边界值，就可以打开阳极侧的堆截止阀。在此如此选择边界值，使得在阳极区段中的压力达到过压阀的触发压力之前，阳极区段被卸载压力。28.在此公开的方法可以设置如下步骤：在达到减压器的关闭压力之前，再次关闭为了卸载压力而打开的阳极侧的堆截止阀。有利地，在此公开的方法设计为，(i)在阳极区段中的压力(优选略)低于过压阀的触发压力时开始卸载压力，(ii)并且所述卸载压力在所述阳极区段中的压力(优选略)高于减压器的关闭压力时结束。因此可确保：一方面没有燃料不必要地从阳极子系统逸出，并且另一方面可能在较晚的时刻、通常在数小时之后对于机动车的自给自足功能所需的燃料不在过早的时刻被输入给燃料电池堆的阳极室。因此，可以有利地将阳极供给路径中的燃料储备用于自给自足功能，而不必在机动车的停放状态下打开储箱截止阀。29.控制器还可以设置用于执行或一同执行在此公开的方法步骤。为此，控制器可以基于所提供的信号至少部分地并且优选完全地闭环控制(英语为closed loop control)或开环控制(英语为open loop control)系统的致动器。控制器可以至少影响燃料电池系统、尤其是燃料电池系统的阴极子系统、阳极子系统和/或冷却系统。替代地或附加地，所述控制器也可以一同集成在另一控制器中，例如在上级控制器中。控制器可以与机动车的其他控制器相互作用。30.此外，在此公开的技术涉及一种计算机可读存储介质，在所述计算机可读存储介质上存储有程序指令，所述程序指令在由微处理器执行时促使该微处理器执行根据前述权利要求中任一项所述的方法。31.换言之，在此公开的技术涉及一种用于对中压区域卸载压力的方法。构思现在是，在取出停止(即燃料电池堆关断)之后，阳极侧的堆截止阀(通常是氢关闭阀)或喷射器在一定的时间之后再次短暂地打开，以便降低在中压管路中形成的压力，因为在容积中所包围的气体已升温，并且在此略微提高阳极压力。在阳极中存在足够的容积，以便仅引起几毫巴的压力升高并且同时降低中压区域中的压力，例如到减压器的关闭值(关闭压力)。再进一步降低中压不是必需的，但也不会是不利的。如果压力下降到低于关闭值的值，则从管路的高压区域、即在压力调节器上游会补充流动氢。中压取出系统(通常比例阀或喷射器)的操控能够基于时间进行，例如在5至7分钟后，并且在需要时再次重复例如在另外10到15分钟之后(间隔变得更长，因为密度已减小并且在管道中的燃料与结构室温之间的温差已变小。32.替代地，可以确定特性曲线或特性曲线族，所述特性曲线或特性曲线族可以根据燃料的密度和温度差来计算，以便确定用于从中压管路中取出的时刻和待取出的量。33.利用在此公开的技术可设置具有更小的触发压力的压力卸载阀，而不出现燃料由温度引起地从阳极子系统导出。因此，可以使用更有利且更轻的安全阀。有利地，中压区域的其他部件也可以针对小的爆裂压力来设计，这可对制造成本、空间需求和重量产生积极影响。根据一种设计方案可规定，在机动车停放之后，燃料电池系统在储箱截止阀关闭的情况下继续运行预定的时间，以便进一步降低阳极流入路径中的压力。然而，这种关断程序并不总是可能的，尤其是如果另一保护功能已引起燃料电池系统的不可预见的停止(例如紧急停止)。34.利用在此公开的技术可以为自给自足运行提供更多的燃料(例如在停放时用于加压阳极的燃料)，而不打开压力容器的储箱阀(也称为箱载阀)，因为管路在停放时不必被卸载压力。附图说明35.现在借助示出燃料电池系统示意图的示意图1来阐述在此公开的技术。具体实施方式36.在压力容器h2中储存有燃料、例如在高达700巴时氢。所述压力容器h2为燃料电池堆300提供氢，所述燃料电池堆具有多个燃料电池，所述燃料电池在较低的压力水平上运行，例如0.5至1barü。在压力容器h2的一端设有一个储箱截止阀211。代替仅仅一个具有一个储箱截止阀211的压力容器h2，同样可以设有多个具有一个或多个储箱截止阀211的压力容器h2。压力容器h2与燃料电池堆300之间的引导燃料的流体连接向燃料电池堆300的阳极a供给燃料并且被称为阳极供给路径210。在此处示出的系统中还设有减压器244。减压器244将储存压力从高达700巴降低到例如2巴至40巴或12巴至18巴的中压水平。在阳极供给路径210中还设有阳极侧的堆截止阀234，所述堆截止阀在此用作进一步的减压器并且将压力从中压水平降低到燃料电池的低压。阳极区段md在此是阳极供给路径210的设置在减压器244下游且在阳极侧的堆截止阀234上游的区段。该阳极区段md也可以被称为中压区域。37.为了在减压器244功能故障时防止管道破裂或阳极供给路径210的部件(螺纹连接、传感器、阳极截止阀等)损坏，在此在减压器244下游设有过压阀242。在阳极子系统的再循环流动路径216中，在此在燃料电池堆300下游设有水分离器232、阳极冲扫阀238和再循环泵236。阳极冲扫管路239在此将阳极冲扫阀238与阴极废气管路416连接，该阴极废气管路从燃料电池堆的阴极k下游开始并且在环境中结束。在该废气管路416中可设有催化器面(未示出)。在另一设计方案中，阳极冲扫管路239在阴极k上游通入阴极输入管路415中、尤其在阴极侧的堆截止阀430下游。燃料的和环境空气的流动方向在此通过箭头示出。燃料电池系统安装在机动车中(未示出)。氧化剂输送器410压缩氧化剂o2，该氧化剂随后在热交换器420中冷却。此外，设有旁通管路460，所述旁通管路从阴极输入管路415分支出来并且通入废气管路416中。38.如果现在取出燃料，则该燃料膨胀并且在此过程中冷却。如果燃料电池系统现在关断，则相对于结构室温冷的燃料停留在阳极区段md中。由于在燃料温度与环境温度之间的差大，热量被输入到燃料中，由此在阳极区段md中的燃料升温并且在阳极区段md中的压力升高。如果不采取补救措施，则压力可能超过过压阀242的触发压力。因此，然后会经由过压阀242将燃料排出到环境中。根据在此公开的技术，这通过如下方式防止，即，再次激活不起作用的控制器，以便在第一持续时间结束之后启动到燃料电池堆300的阳极室中的卸载压力。通过短暂地打开堆截止阀234来实现卸载压力。在卸载压力之后，阳极区段md中的压力明显下降。特别地，在此如此长时间地打开阳极侧的堆截止阀234，直到其基本上对应于减压器的关闭压力。如果阳极区段md中的压力由温度引起地进一步升高，则可以在第二持续时间结束之后启动第二次卸载压力和必要时另外的卸载压力。优选地，控制器在卸载压力之间不起作用并且堆截止阀234关闭。39.本发明的前述描述仅用于说明性目的，而不用于限制本发明的目的。在本发明的范围内，不同的改变和修改是可能的，而不脱离本发明及其等同物的范围。









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