用于檢查燃料電池系統(tǒng)的氣體密封性的方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種用于檢查燃料電池系統(tǒng)（2）的密封性的方法，該燃料電池系統(tǒng)具有燃料電池（4）和至少一個(gè)用于儲(chǔ)存氫氣的容器（6、8、10），其中，所述至少一個(gè)容器（6、8、10）通過管路（26）與燃料電池（4）相連，沿著該管路設(shè)置有至少一個(gè)壓力傳感器（36），其中，為了實(shí)施所述方法，利用所述至少一個(gè)壓力傳感器（36）測(cè)量在管路（26）中的流向燃料電池（4）的氫氣壓力并通過量-壓力關(guān)系計(jì)算流向燃料電池（4）的氫氣量，該量-壓力關(guān)系描述氫氣的壓力和量的相互關(guān)聯(lián)，其中，測(cè)量由燃料電池（4）產(chǎn)生的電流并通過量-電流關(guān)系計(jì)算由燃料電池（4）轉(zhuǎn)換為電能的氫氣量，該量-電流關(guān)系描述由燃料電池（4）所產(chǎn)生的電流和燃燒的氫氣量的相互關(guān)聯(lián)，其中，將計(jì)算出的氫氣量相互比較。
【專利說明】用于檢查燃料電池系統(tǒng)的氣體密封性的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種用于檢查燃料電池系統(tǒng)的密封性的方法。此外本發(fā)明還涉及一種用于檢查燃料電池系統(tǒng)的密封性的設(shè)備。
【背景技術(shù)】
[0002]由氫氣(H2)所驅(qū)動(dòng)的燃料電池系統(tǒng)除燃料電池外還具有一個(gè)或多個(gè)氫氣儲(chǔ)存器。這種類型的氫氣儲(chǔ)存器可以例如在機(jī)動(dòng)車中使用時(shí)設(shè)計(jì)為氣缸，其中在約700bar的升高的壓力下儲(chǔ)存氫氣。只要在機(jī)動(dòng)車中設(shè)有多個(gè)這種類型的氫氣儲(chǔ)存器，那么就可以相應(yīng)設(shè)計(jì)機(jī)動(dòng)車的續(xù)駛里程。
[0003]因?yàn)闅鈶B(tài)的氫氣沒有味道并且即使在較小的點(diǎn)火能量下也會(huì)在廣泛的點(diǎn)火區(qū)域中與空氣中的氧氣發(fā)生放熱反應(yīng)，所以為了探測(cè)溢出的氫氣，可以為燃料電池系統(tǒng)安裝氫氣傳感器。除由于使用這種氫氣傳感器所引起的成本外，這種類型的氫氣傳感器還具有極大的錯(cuò)誤率。此外氫氣傳感器老化較快并且一般還對(duì)水蒸氣敏感。利用氫氣傳感器只能監(jiān)測(cè)燃料電池系統(tǒng)的那種分配有氫氣傳感器的區(qū)域，其中還始終要考慮到的是，仍存在未進(jìn)行任何監(jiān)測(cè)的其它區(qū)域。
[0004]公開文本DE102006025125A1描述了一種用于探測(cè)燃料電池系統(tǒng)中不密封的部位的方法，該燃料電池系統(tǒng)具有氫氣儲(chǔ)存罐、供給管路中的主止回閥和輔止回閥。主止回閥在切斷時(shí)關(guān)閉，在此使燃料電池暫時(shí)處于運(yùn)行狀態(tài)。此外對(duì)閥之間的供給管路中的壓力進(jìn)行測(cè)量。如果所測(cè)量的壓力達(dá)到預(yù)先規(guī)定的切斷壓力，那么就關(guān)閉輔止回閥。在下一系統(tǒng)類型中，在打開止回閥之前測(cè)量壓力，將所測(cè)量的壓力與所儲(chǔ)存的壓力相比較。如果當(dāng)前壓力測(cè)量值小于所儲(chǔ)存的壓力的測(cè)量值，那么這就提示:在止回閥之間的供給管路具有不密封的部位。如果所測(cè)量的壓力高于所儲(chǔ)存的壓力，那么這就提示:主閥具有不密封的部位。
[0005]公開文本DE112005001818T5公開了一種用于燃料電池系統(tǒng)的漏氣檢測(cè)裝置。該燃料電池系統(tǒng)在此具有燃料電池、燃料氣體供給源、燃料氣體供給通道、用于從燃料電池釋放燃料氣體的釋放通道和設(shè)置在釋放通道中的用于調(diào)整燃料電池所釋放的燃料氣體量的排空閥。漏氣檢測(cè)裝置具有設(shè)置在供給通道中的用于檢測(cè)燃料氣體供給量的供給量檢測(cè)器，其中所述供給通道具有設(shè)置在供給量檢測(cè)器下游的第一通道，其中燃料電池具有由燃料氣體流動(dòng)通過的第二通道。所述釋放通道具有設(shè)置在排空閥上游的第三通道。此外，所述漏氣檢測(cè)裝置具有用于計(jì)算燃料電池所消耗的燃料氣體量的消耗量計(jì)算設(shè)備、用于在包括所述三個(gè)通道在內(nèi)的漏氣檢測(cè)通道中檢測(cè)燃料氣體壓力的壓力檢測(cè)器、用于確定壓力變化和計(jì)算由于燃料氣體壓力變化導(dǎo)致的漏氣檢測(cè)通道中燃料氣體量變化的變化量計(jì)算設(shè)備和用于計(jì)算檢測(cè)到的所供給的燃料氣體量與所消耗的燃料氣體總量之間的差值以及漏氣檢測(cè)通道中燃料氣體量變化的差值計(jì)算設(shè)備。
[0006]公開文本DE102007060712A1公開了一種用于探測(cè)燃料電池陽極子系統(tǒng)中的部件故障的診斷方法。其中對(duì)通過噴射器的燃料流進(jìn)行估計(jì)并與基于系統(tǒng)參數(shù)的模型相比較。使用基于觀測(cè)者的模型來確定供給氫氣與消耗氫氣之間差的余值，其中將余值與限值范圍相比較。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]在此背景下值得追求的是:在不降低燃料電池系統(tǒng)安全性的條件下，從燃料電池系統(tǒng)中去除氫氣傳感器。
[0008]本發(fā)明涉及一種用于檢查燃料電池系統(tǒng)的密封性的方法，該燃料電池系統(tǒng)具有燃料電池和至少一個(gè)用于儲(chǔ)存氫氣的容器。所述至少一個(gè)容器通過管路與燃料電池相連，沿著管路設(shè)置有至少一個(gè)壓力傳感器。為了實(shí)施所述方法，利用所述至少一個(gè)壓力傳感器測(cè)量在管路中的流向燃料電池的陽極的氫氣壓力并通過量-壓力關(guān)系計(jì)算燃料電池之前的氫氣量或流向燃料電池的氣態(tài)氫氣量。此外還測(cè)量由燃料電池產(chǎn)生的和/或流過燃料電池的電流，并由此通過量-電流關(guān)系計(jì)算由燃料電池轉(zhuǎn)換為電能的和/或燃燒的氫氣量。將由此計(jì)算出的氫氣量相互比較。由此將通常為粒子數(shù)的、流向燃料電池的氫氣量與通常為粒子數(shù)的、由燃料電池燃燒的氫氣量相比較。
[0009]在此規(guī)定，所述量-壓力關(guān)系或比例描述流動(dòng)的氫氣的壓力與量的通常數(shù)理上的和/或函數(shù)上的相互關(guān)聯(lián)。所述量-電流關(guān)系或量-電流比例表述燃料電池所產(chǎn)生的電流與燃料電池中通過燃燒轉(zhuǎn)換為電能的氫氣量的通常是數(shù)理的和/或函數(shù)的相互關(guān)聯(lián)。
[0010]氫氣通常在燃料電池中通過產(chǎn)生電流燃燒，這可以這樣解釋，使在燃料電池中彼此反應(yīng)的氫氣以及還有氣態(tài)氧氣轉(zhuǎn)換為電能，因?yàn)樵跉錃馀c氣態(tài)氧氣的反應(yīng)中產(chǎn)生了電能并由此產(chǎn)生了電流。
[0011]還可以將用于理想氣體的方程或用于氫氣的維里方程作為量-壓力關(guān)系使用。但是也可以將特性曲線用于量-壓力關(guān)系，其中這種類型的特性曲線描述燃料電池系統(tǒng)的用于理想氣體的方程或用于氫氣的維里方程。該特性曲線可以至少逐點(diǎn)地測(cè)量和/或計(jì)算。
[0012]還可以將法拉第定律方程和/或特性曲線用于量-電流關(guān)系。在此該特性曲線也可以描述法拉第定律并且適應(yīng)于密封性待檢查的燃料電池系統(tǒng)。該特性曲線也可以至少逐點(diǎn)地測(cè)量和/或計(jì)算。
[0013]利用所使用的關(guān)系或比例，也就是利用描述氣態(tài)氫氣量與壓力或電流相關(guān)性的量-壓力關(guān)系和量-電流關(guān)系，可以以兩種不同方式確定氫氣量并進(jìn)而確定氫氣粒子數(shù)以及質(zhì)量。
[0014]作為可能的量-壓力關(guān)系，理想氣體的方程符合:
[0015]p*V=m*R*T。
[0016]在此，P是管路中氫氣壓力，V是氣體所占體積，R是氣體常數(shù)，其中通用的氣體常數(shù)Rn=8，314462JmoF1IT1或可以為氫氣使用專門的氣體常數(shù)Rs。在求解理想氣體的方程后得出和壓力相關(guān)的量:m= (p*V) / (R*T)。
[0017]另選地或附加地，還可以使用氫氣的維里方程來表示量-壓力關(guān)系，其中通?？梢陨婕暗降氖峭ㄓ脷怏w方程的級(jí)數(shù)展開并進(jìn)而例如還涉及到的是用于理想氣體的方程的級(jí)數(shù)展開。這種類型的維里方程例如在Eric W.Lemmon等所著的“燃料消耗應(yīng)用的氫氣密度的標(biāo)準(zhǔn)化方程式” 一文中描述為:
[0018]m = M[ P E( P E, TE)-p A( P A, TA) ]V
[0019]= MV/R [pE (TEk (pE, TE)) _1-pA (TAk (pA) TA) -1] o[0020]在此，M是克分子質(zhì)量，P是與溫度和壓力相關(guān)的克分子密度，k是可壓縮性的系數(shù)，該系數(shù)同樣與壓力和溫度相關(guān)。在此，P E，Pe和Te是在觀測(cè)的時(shí)間間隔末端測(cè)量的大小，P A，Pa和Ta是在該時(shí)間間隔起始測(cè)量的大小。在上述關(guān)于氫氣量的維里方程中可壓縮性的系數(shù)k示出與理想情況的偏差。
[0021]根據(jù)作為可能的量-電流方程的法拉第定律，從燃料電池中分離出的氣體量適用于:
[0022]m=tB*I/ (z*F)。
[0023]在此，tB是觀測(cè)時(shí)間，例如所謂的時(shí)間間隔長(zhǎng)度，I是電流，z是氫氣的原子價(jià)，F(xiàn)=96485, 3365C moF1是法拉第常數(shù)。
[0024]所有待使用的大小，也就是代表壓力的P、代表體積的V、代表溫度的T、代表可壓縮性的系數(shù)k和代表克分子密度的P通常都在至少一個(gè)確定的時(shí)間點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量并假定為常數(shù)。在本方法的設(shè)計(jì)方案中，所述大小，也就是壓力P (t)、體積V (t)、溫度T (t),代表可壓縮性的系數(shù)k (t)和代表克分子密度的P (t)都可以作為取決于時(shí)間的大小來獲取和/或使用，由此可以考慮燃料電池系統(tǒng)中的動(dòng)力。為此，至少兩次測(cè)量所述大小，一般是在所述時(shí)間間隔起始時(shí)間點(diǎn)上和末端時(shí)間點(diǎn)上。也可以在時(shí)間間隔期間測(cè)量這些大小的時(shí)間曲線。
[0025]因此，一方面取決于壓力確定氫氣量，一方面取決于電流確定氫氣量。對(duì)于氫氣的至少一個(gè)對(duì)應(yīng)關(guān)系，也就是如果對(duì)于量-壓力關(guān)系和/或量-電流關(guān)系可以使用特性曲線，那么這種類型的特性曲線可以以上述方程為基礎(chǔ)并且可以作為氫氣量與壓力和/或電流的分配關(guān)系儲(chǔ)存在用于實(shí)施根據(jù)本發(fā)明的方法的控制器的儲(chǔ)存器中。對(duì)于待實(shí)施所述方法的燃料電池系統(tǒng)，可以通過測(cè)量和/或計(jì)算單獨(dú)確定至少一個(gè)這種類型的特性曲線，并在必要時(shí)伴隨運(yùn)行過程通過重復(fù)測(cè)量和/或計(jì)算對(duì)其進(jìn)行調(diào)整。所述計(jì)算可以參照所述方程式之一進(jìn)行。
[0026]如果所計(jì)算的流向燃料電池的氫氣量比通過測(cè)量所確定的由燃料電池轉(zhuǎn)換為電能的氫氣量大，通常是大很多，那么就可認(rèn)定是不密封的。如果兩個(gè)量大小相同，那就證明燃料電池系統(tǒng)是密封的。
[0027]在所述方法中可以將所測(cè)量的壓力和所測(cè)量的電流的多個(gè)和時(shí)間相關(guān)的值各自相加并用于計(jì)算待比較的量，這些值例如是在時(shí)間間隔上的多個(gè)時(shí)間點(diǎn)上產(chǎn)生的。在此可以通過作為時(shí)間間隔持續(xù)長(zhǎng)度的觀測(cè)時(shí)間或觀察時(shí)間tB對(duì)電流I求積分，其中，可以計(jì)算出總共流過的電荷量Q并由此進(jìn)一步計(jì)算出氫氣量m。
[0028]在一種設(shè)計(jì)方案中，本方法被實(shí)施用于燃料電池系統(tǒng)，該燃料電池系統(tǒng)具有多個(gè)用于儲(chǔ)存氫氣的容器，其中，所有容器都通過一共同的管路與燃料電池相連。在用于所有容器的共同的管路上設(shè)置有至少一個(gè)壓力傳感器，利用所述至少一個(gè)壓力傳感器測(cè)量對(duì)計(jì)算流向燃料電池的氫氣量所必需的壓力。為了檢查密封性，僅打開所述容器中的一個(gè)容器，而關(guān)閉所有其它容器。因而減少了待考慮的流動(dòng)氣體體積，由此可以提高待測(cè)量壓力的準(zhǔn)確性。
[0029]補(bǔ)充性地，還可以確定流向燃料電池陰極的空氣和進(jìn)而是氧氣的量，并與至少一個(gè)所確定的氫氣量相比較?？諝獾牧渴强梢詼y(cè)量的。也可以測(cè)量空氣的壓力，并由此利用用于空氣中氧氣的量-壓力關(guān)系、例如用于理想氣體的方程或特性曲線來計(jì)算流向燃料電池的空氣和/或氧氣的量。將空氣或氧氣的量與通過壓力確定的氫氣量和/或通過電流確定的氫氣量相比較。如果通過壓力和/或綜合特性曲線僅可以確定空氣量，那么可以通過額外的綜合特性曲線將氧氣量確定為空氣的與壓力和/或溫度相關(guān)的按百分比計(jì)算的組成部分。
[0030]此外，可以測(cè)量至少一個(gè)容器的溫度，并通過焦耳-湯姆孫效應(yīng)確定所述至少一個(gè)容器的氫氣通過量。在此要考慮到閥各自關(guān)閉的其余容器中的氫氣的溫度曲線?？梢詫⑺鲋辽僖粋€(gè)容器中的氫氣溫度與環(huán)境中的空氣溫度并進(jìn)而與外界溫度相比較。
[0031]此處所用的焦耳-湯姆孫效應(yīng)描述的是當(dāng)容器中的壓力由于節(jié)流而變化時(shí)，氣體、也就是氫氣還有空氣中的氧氣的溫度變化，在節(jié)流時(shí)氣體體積變大，由此氣體會(huì)膨脹并減小壓力。在此所使用的焦耳-湯姆孫-系數(shù)μ π= Λ T/Λ P描述的是與壓力相關(guān)的溫度變化ΛΤ。由此在體積恒定時(shí)也可以計(jì)算氫氣的量m，并且也可以將其作為量-壓力關(guān)系使用。此外在體積V恒定時(shí)也可以確定與之相關(guān)的、所測(cè)量的壓力變化Λρ并將其與來自焦耳-湯姆孫-系數(shù)μ π的壓力變化Λ P相比較。
[0032]此外，可以將多個(gè)不使用的容器中的氫氣溫度相比較。如果在一個(gè)不使用的、關(guān)閉的容器中的氫氣溫度與另一個(gè)容器中的另一個(gè)所測(cè)量的溫度、也就是氫氣溫度和/或容器外空氣的溫度有偏差，那么就表不在相關(guān)容器中存在泄露。
[0033]根據(jù)本發(fā)明的設(shè)備具有至少一個(gè)控制單元并設(shè)計(jì)用于檢查燃料電池系統(tǒng)的密封性，該燃料電池系統(tǒng)具有燃料電池和至少一個(gè)用于儲(chǔ)存氫氣的容器，其中，所述至少一個(gè)容器通過管路與燃料電池相連，沿著該管路設(shè)置有至少一個(gè)壓力傳感器。至少一個(gè)壓力傳感器測(cè)量在管路中的流向燃料電池的氫氣壓力，其中，所述控制單元通過氣體的量-壓力關(guān)系，例如借助用于理想氣體的方程、維里方程和/或用于描述量-壓力關(guān)系的特性曲線來由所測(cè)量的壓力計(jì)算燃料電池之前的氫氣量。電流測(cè)量器測(cè)量由燃料電池所產(chǎn)生的電流，其中，所述控制單元通過量-電流關(guān)系，例如法拉第定律方程或通過特性曲線由所測(cè)量的電流計(jì)算由燃料電池轉(zhuǎn)換為電能的氫氣量。此外控制單元將所計(jì)算的量相互比較。
[0034]所述設(shè)備還可以具有至少一個(gè)壓力傳感器和/或電流測(cè)量器，并設(shè)計(jì)用于實(shí)施根據(jù)本發(fā)明的方法的至少一個(gè)步驟。作為可能的電流測(cè)量器實(shí)施方式，例如可以選擇性地通過分流或并聯(lián)電阻利用數(shù)字的電壓測(cè)量來測(cè)量電流。
[0035]本發(fā)明的其它優(yōu)點(diǎn)和設(shè)計(jì)方案由說明書和附圖給出。
[0036]不言而喻，在不脫離本發(fā)明范圍的情況下，上述特征和下面待述特征不僅在相應(yīng)給出的組合中，還可以在其它組合中或者單獨(dú)使用。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0037]下面借助附圖中的實(shí)施例和附圖示意性地詳細(xì)示出和描述本發(fā)明。
[0038]圖1以示意圖形式示例性地示出了具有根據(jù)本發(fā)明的設(shè)備的實(shí)施方式的燃料電池系統(tǒng)，所述設(shè)備設(shè)計(jì)用于實(shí)施用于檢查燃料電池系統(tǒng)的密封性的根據(jù)本發(fā)明的方法的實(shí)施方式。
【具體實(shí)施方式】
[0039]圖1中示意性示出的燃料電池系統(tǒng)2具有一個(gè)燃料電池4以及多個(gè)在此設(shè)計(jì)為氣缸的、用于儲(chǔ)存氣態(tài)氫或氫氣的容器6、8、10，所述氣態(tài)氫或氫氣被設(shè)計(jì)用于在燃料電池4中轉(zhuǎn)換為電能，其中氫氣與氧氣反應(yīng)并產(chǎn)生電流。在此，這些容器6、8、10中的每個(gè)容器都分配有一個(gè)閥12、14、16，利用該閥來打開或關(guān)閉相應(yīng)的容器6、8、10。此外，每個(gè)分配給容器6、8、10的閥12、14、16都與容器自有的管路18、20、22相連，其中這些容器自有的管路
18、20、22都在一個(gè)共同的連接部位24上匯入到所有容器6、8、10的共同的管路26中。這個(gè)共同的管路26又與燃料電池4相連，其中在此處示例所示的燃料電池系統(tǒng)2中，沿著共同的管路26設(shè)置有共同的、設(shè)計(jì)為調(diào)壓閥的閥28。
[0040]此外，每個(gè)容器6、8、10都分配有一個(gè)用于確定各容器6、8、10中的氫氣溫度的容器自有的溫度傳感器30、32、34。沿著共同的管路26的在共同的連接部位24和共同的閥28之間的第一區(qū)段設(shè)置有用于測(cè)量在共同的管路26的第一區(qū)段中的氣態(tài)氫壓力的壓力傳感器36，該壓力傳感器設(shè)計(jì)為高壓傳感器。在用于所有容器6、8、10的共同的管路26的設(shè)置在共同的閥28和燃料電池4的陽極側(cè)之間的第二區(qū)段中，在此設(shè)置有壓力傳感器38，該壓力傳感器設(shè)計(jì)為低壓傳感器，利用該壓力傳感器測(cè)量在共同的管路26的第二區(qū)段內(nèi)部的氣體壓力。
[0041]圖1還示出，燃料電池4在陽極側(cè)利用回輸管路40與共同的管路26的第二區(qū)段相連。沿著該回輸管路40設(shè)置有輸送單元42，該輸送單元例如設(shè)計(jì)成泵，使得該回輸管路40連同輸送單元42形成了用于從燃料電池4流向共同的管路26的氣態(tài)氫的回流回路(回收回路)。此外，燃料電池4在陽極側(cè)與排氣管路44相連，沿著該排氣管路設(shè)置有排氣閥46(放氣閥)，借助該放氣閥可以將來自燃料電池4的多余的氣態(tài)氫排放到環(huán)境中。
[0042]此外，燃料電池4在陰極側(cè)與空氣管路48相連，沿著該空氣管路設(shè)置有另一個(gè)輸送單元，該輸送單元例如設(shè)計(jì)為泵50，其中借助該輸送單元50從環(huán)境中抽吸空氣，通過空氣管路48在陰極側(cè)輸送給燃料電池4。來自環(huán)境的空氣的至少一個(gè)狀態(tài)參量是借助配屬于空氣管路48的空氣傳感器52來測(cè)量的。
[0043]在燃料電池4運(yùn)行時(shí)，來自容器6、8、10的氣態(tài)氫與作為來自環(huán)境的空氣的組成部分的氧氣反應(yīng)形成水，經(jīng)由水管路54將水從燃料電池4輸出。在氫氣與氧氣反應(yīng)時(shí)產(chǎn)生的化學(xué)能在燃料電池4中被轉(zhuǎn)換為電能。
[0044]在此產(chǎn)生的電流由電流測(cè)量器來測(cè)量，該電流測(cè)量器例如設(shè)計(jì)為安培計(jì)56，該電流測(cè)量器設(shè)置在與燃料電池4相連的轉(zhuǎn)換電路58內(nèi)部，該轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)為平均電壓網(wǎng)。此夕卜，該轉(zhuǎn)換電路58還具有電壓測(cè)量器60，該電壓測(cè)量器與燃料電池4并聯(lián)并且借助該電壓測(cè)量器來測(cè)量在燃料電池4中的電壓和/或電壓級(jí)。此外，燃料電池4通過轉(zhuǎn)換電路58與至少一個(gè)耗電器62 (EMS)相連。
[0045]根據(jù)本發(fā)明的設(shè)備70的、在圖1中同樣也示意性示出的實(shí)施方式具有控制單元72,它又具有至少一個(gè)控制器。在此規(guī)定，該控制單元72與所述燃料電池系統(tǒng)2的所有所介紹的部件相連。出于更好的視圖效果的原因，在圖1中未示出為此設(shè)置的、用于在控制單元72和燃料電池系統(tǒng)2部件之間進(jìn)行信號(hào)交換的線路。
[0046]設(shè)計(jì)為，由燃料電池2的設(shè)計(jì)為傳感器的部件，也就是由溫度傳感器30、32、34以及壓力傳感器36、38向控制單元72提供關(guān)于狀態(tài)參量的信號(hào)，也就是氣態(tài)氫的溫度以及壓力的信號(hào)。由設(shè)計(jì)為空氣傳感器52的傳感器向控制單元72提供關(guān)于周圍空氣的至少一個(gè)狀態(tài)參量的信號(hào)。由兩個(gè)電傳感器、也就是電流測(cè)量器56以及電壓測(cè)量器60向控制單元72提供關(guān)于電運(yùn)行參數(shù)的信號(hào)、也就是燃料電池4的電流和電壓的信號(hào)。通過提供的傳感信號(hào)，使控制單元72獲得關(guān)于燃料電池系統(tǒng)2的運(yùn)行狀態(tài)的信息。
[0047]此外，控制單元72設(shè)計(jì)用于，監(jiān)督燃料電池系統(tǒng)2的執(zhí)行器的功能，由此對(duì)其進(jìn)行控制和/或調(diào)節(jié)。為此要向控制單元72的這些執(zhí)行器提供信號(hào)。在此，控制單元72向執(zhí)行器提供信號(hào)，該執(zhí)行器設(shè)計(jì)成閥12、14、16、28、46。所以通常要通過由控制單元72所提供的電流通電來使所述的閥12、14、16、28、46保持打開和/或關(guān)閉。氣態(tài)氫可以經(jīng)由打開的閥12、14、16、28、46流過。如果控制單元72未給這些閥12、14、16、28、46通電，那么這些閥將會(huì)仍然關(guān)閉或者被關(guān)閉。此外，由控制單元72激活燃料電池系統(tǒng)2的執(zhí)行器，該執(zhí)行器設(shè)計(jì)為輸送單元42、50，從而對(duì)由這些輸送單元42、50輸送的流體、也就是氣態(tài)氫和/或空氣的量進(jìn)行監(jiān)控。
[0048]借助控制單元72可以監(jiān)控燃料電池系統(tǒng)2的常規(guī)運(yùn)行。除此之外，控制單元72設(shè)計(jì)用于監(jiān)控和從而實(shí)施根據(jù)本發(fā)明的方法的至少一個(gè)步驟。所述的控制單元72可以具有至少一個(gè)控制單元并進(jìn)而在必要時(shí)還具有多個(gè)控制單元，但這些控制單元彼此相連并在必要時(shí)由上級(jí)的控制單元監(jiān)控。
[0049]根據(jù)定義，燃料電池2的至少一個(gè)部件可以利用根據(jù)本發(fā)明的方法的至少一個(gè)步驟來運(yùn)行，也可以設(shè)計(jì)為根據(jù)本發(fā)明的設(shè)備70的部件。這涉及的是傳感器以及燃料電池系統(tǒng)的執(zhí)行器。據(jù)此可以將至少一個(gè)傳感器，即溫度傳感器30、32、34、壓力傳感器36和/或電傳感器、即電流測(cè)量器56和/或電壓測(cè)量器60設(shè)計(jì)為根據(jù)本發(fā)明的設(shè)備70的各個(gè)部件。此外可以將至少一個(gè)執(zhí)行器，即至少一個(gè)閥12、14、16、28、46和/或至少一個(gè)輸送單元42、50設(shè)計(jì)為根據(jù)本發(fā)明的設(shè)備70的可能的部件。
[0050]從至少一個(gè)容器6、8、10經(jīng)由容器自有的管路18、20、22流入到共同的管路26的第一區(qū)段中并具有例如700bar的升高的壓力的氣態(tài)氫從稱作供給壓力的高壓通過共同的閥28減壓到較低的壓力一其中氫氣在共同的管路26的第一區(qū)段中的壓力能夠通過壓力傳感器36準(zhǔn)確確定，該壓力傳感器設(shè)計(jì)為高壓傳感器一從而使得氣態(tài)氫在和燃料電池4在陽極側(cè)相連的共同的管路26的第二區(qū)段中具有適合在燃料電池4中進(jìn)行反應(yīng)的較低壓力。在共同的管路26的第二區(qū)段中的這個(gè)較低的壓力一般為2至lObar，并可以通過圖1中所示的、設(shè)計(jì)為低壓傳感器的壓力傳感器38確定或者另選地通過未進(jìn)一步示出的壓差傳感器來確定。
[0051]較低壓力下的氣態(tài)氫被在陽極側(cè)輸送給燃料電池4，并通常以氫氣-過剩的狀態(tài)通過燃料電池。在燃料電池4陽極側(cè)未使用的和/或過剩的氫氣可以通過回輸管路40和/或排氣管路44定期排放和/或按需求少量排放。
[0052]通過空氣傳感器52確定在陰極側(cè)由輸送單兀50從環(huán)境中抽吸的空氣的量、溫度和/或壓力。此外，利用輸送單元50壓縮空氣。來自于空氣的氧氣在燃料電池4中與氣態(tài)氫反應(yīng)，其中產(chǎn)生電流，由電流測(cè)量器56對(duì)該電流進(jìn)行測(cè)量并由至少一個(gè)也可以稱作主耗電器的耗電器62消耗。所述至少一個(gè)耗電器62，并且進(jìn)而還有多個(gè)耗電器62在轉(zhuǎn)換電路58中一該轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)為平均電壓網(wǎng)一還傳感地確定電量大小，即電壓U和電流I，并且將關(guān)于此的信號(hào)通過未示出的線路傳輸給控制單元72，該線路可設(shè)計(jì)為作為CAN (控制器局域網(wǎng))的網(wǎng)絡(luò)的一部分。
[0053]為了向燃料電池4供給儲(chǔ)存在多個(gè)容器6、8、10中的氫氣，在所述的實(shí)施例中各只打開閥12、14、16中的一個(gè)。在這一個(gè)閥12、14、16打開時(shí)，那么就仍關(guān)閉或關(guān)閉所有其它的閥12、14、16。當(dāng)由至少一個(gè)共同的氣體傳感器、例如壓力傳感器36所測(cè)量的在共同的管路26中的氫氣的至少一個(gè)狀態(tài)參量與理論值偏離了一公差值時(shí)，再次關(guān)閉所打開的閥12、
14、16。另選的或附加于此的是，當(dāng)由容器自有的溫度傳感器30、32、34所測(cè)量的溫度作為在相應(yīng)的容器6、8、10中的氣態(tài)氫狀態(tài)參量與理論值偏離了一公差值時(shí)，同樣再次關(guān)閉所打開的閥12、14、16。
[0054]該操作模式也可以在燃料電池系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行時(shí)和/或在檢查燃料電池系統(tǒng)2的密封性時(shí)實(shí)施。此外,可以為容器6、8、10定義一個(gè)順序，在此根據(jù)該順序按需求相繼打開配屬于容器6、8、10的閥12、14、16。可以視情況調(diào)整和/或固定規(guī)定所述至少一個(gè)狀態(tài)參量的理論值，即所測(cè)量的管路26中的容器自有的溫度和/或壓力的理論值。同樣可以視情況調(diào)整和/或固定規(guī)定所述至少一個(gè)狀態(tài)參量的公差值。
[0055]至少一個(gè)狀態(tài)參量可以是共同的管路26中測(cè)量的氣態(tài)氫的壓力、量和/或溫度。
[0056]通過該措施可以依次輪流地僅使一個(gè)容器自有的閥12、14、16通電并進(jìn)而打開。因?yàn)檫@樣每次總是僅打開一個(gè)容器6、8、10并且因此僅從容器6、8、10中的一個(gè)中以較小體積排空氫氣，所以壓力傳感器36—該壓力傳感器設(shè)計(jì)為高壓傳感器一所測(cè)量的壓力相比所有閥12、14、16同時(shí)打開并排空較大體積時(shí)下降速度更快。由此可以由設(shè)計(jì)為高壓傳感器的壓力傳感器36在共同的管路26中更準(zhǔn)確地確定壓力。所以還可以更準(zhǔn)確地確定燃料電池4的氫氣消耗。
[0057]為了確定燃料電池4的氫氣消耗，通過描述氫氣的量和其壓力之間數(shù)理的和/或熱力學(xué)的相互關(guān)聯(lián)的量-壓力關(guān)系來確定氫氣量。如果在此使用用于理想氣體的方程，那么在壓力和溫度已知時(shí)確定氫氣的量。還可以通過使用氫氣維里方程和/或用于量-壓力關(guān)系的特性曲線來確定氫氣的量。
[0058]此外，通過電流等效性同樣可以確定燃燒掉的和進(jìn)而轉(zhuǎn)換為電能的氫氣的量，電流等效性由量-電流關(guān)系、例如綜合特性曲線和/或法拉第定律m=I/F來描述，其中I是通常由電流測(cè)量器56所測(cè)量的電流，F(xiàn)是法拉第常數(shù)F=96485，3365C/moL.[0059]通過比較由至少一個(gè)壓力傳感器36在共同管路26中測(cè)量的壓力確定的消耗和由電流等效性，例如通過法拉第定律所確定的消耗，可以得出燃料電池系統(tǒng)2是否不密封或有泄漏的結(jié)論。
[0060]在本發(fā)明的設(shè)計(jì)方案中可以通過在時(shí)間上累計(jì)壓力和電流的狀態(tài)參量來確定所消耗的量。另選的或附加于此的是，還可以使用該狀態(tài)參量的經(jīng)平滑處理的測(cè)量信號(hào)，這涉及至少一個(gè)壓力傳感器36和/或電流測(cè)量器56的測(cè)量信號(hào)，與測(cè)量信號(hào)的平滑處理相聯(lián)系。在同時(shí)打開所有閥12、14、16時(shí)并由此導(dǎo)致氫氣體積擴(kuò)大時(shí)，由此在共同的管路26中的第一區(qū)段中的壓力、例如高壓僅非常緩慢改變時(shí)，不能得到這種類型的關(guān)于所消耗的量的結(jié)論。
[0061]在另一種設(shè)計(jì)方案中要考慮到:與壓力相關(guān)的氫氣量和與電流相關(guān)的氫氣量的偏差不僅可由不密封性導(dǎo)致，還可由所使用的傳感器的漂移導(dǎo)致。因此還可以進(jìn)行對(duì)測(cè)量信號(hào)的內(nèi)部對(duì)比和/或確認(rèn)，由此提供關(guān)于傳感器和/或測(cè)量傳感器的故障的提示。
[0062]因此可以根據(jù)時(shí)間額外確定焦耳-湯姆孫效應(yīng)所描述的、由溫度傳感器30、32、24所測(cè)量的工作的并進(jìn)而打開的容器6、8、10的溫度下降。在此從一個(gè)容器6、8、10中獲取比多個(gè)同時(shí)打開的容器6、8、10在同一時(shí)間所獲取的氫氣量更少的氫氣量，因?yàn)榻苟?湯姆孫效應(yīng)與通過量有關(guān)并且在只打開一個(gè)容器6、8、10時(shí)可以更準(zhǔn)確地確定。相比打開多個(gè)容器時(shí)，可以在只打開一個(gè)容器6、8、10時(shí)更好地測(cè)量焦耳-湯姆孫效應(yīng)。為了消除環(huán)境溫度的影響，在此還可同時(shí)將由氣體傳感器52所測(cè)量的溫度和/或所測(cè)量的來自環(huán)境的空氣壓力相比較，其中可以消除取決于環(huán)境溫度的影響。另選地還可以由另一個(gè)在此未示出的溫度傳感器測(cè)量環(huán)境溫度。此外還可以涉及不使用的容器6、8、10的溫度變化曲線，其中，至少一個(gè)不使用的容器6、8、10的溫度變化曲線應(yīng)該遵循環(huán)境中空氣溫度的長(zhǎng)時(shí)間趨勢(shì)。如果此處所述不使用的容器6、8、10中的一個(gè)容器的溫度與環(huán)境空氣溫度有偏差，例如如果溫度下降，那么這就表明這個(gè)容器6、8、10發(fā)生泄漏，這也能通過焦耳-湯姆孫效應(yīng)得到證實(shí)。
[0063]通常，在燃料電池4停止運(yùn)行之后，只要可以排除泄漏，一個(gè)容器6、8、10的溫度應(yīng)一直十分接近于其它容器6、8、10的溫度。如果對(duì)于一個(gè)容器6、8、10來講不是這種情況的話，那么就要考慮到分配給這個(gè)容器6、8、9的溫度傳感器30、32、34中的故障。對(duì)于這點(diǎn)，可以規(guī)定對(duì)溫度進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間觀測(cè)。
[0064]如果在不使用并因此未打開的容器6、8、10中的溫度下降，而其它不使用的并因此是關(guān)閉的容器6、8、10的其它溫度傳感器30、32、34并沒有也發(fā)生這種溫度下降和/或環(huán)境空氣溫度未下降，那么可以得出結(jié)論:該容器6、8、10在密封區(qū)域中朝外具有泄漏。
[0065]如果以上述方法在容器6、8、10中的一個(gè)容器中確定有泄漏，并在隨后打開其它容器6、8、10中的一個(gè)容器，在此未確定有任何泄漏，那么就表示，在容器6、8、10的區(qū)域中的所述泄漏并沒有存在于整個(gè)燃料電池系統(tǒng)2中、例如密封處。以這種方式可以快速發(fā)現(xiàn)可能的故障，其中還能夠考慮到機(jī)動(dòng)車的緊急情況運(yùn)行能力(跛行功能)。在這種情況下，機(jī)動(dòng)車可以在功率降低時(shí)安全運(yùn)行，使其在這種類型的運(yùn)行模式中能夠駛到家中或修理處。
[0066]通過將由法拉第定律或用于描述量-電流關(guān)系的特性曲線確定的氫氣的缺少的、和電流相關(guān)的量，通過與由理想氣體方程通過氫氣維里方程和/或用于量-壓力關(guān)系的特性曲線確定的和壓力相關(guān)的量相比較，還可以估算出，是否存在必須立即停止燃料電池系統(tǒng)2或必須至少送去修理的危險(xiǎn)狀況。
【權(quán)利要求】
1.一種用于檢查燃料電池系統(tǒng)(2)的密封性的方法，該燃料電池系統(tǒng)具有燃料電池(4)和至少一個(gè)用于儲(chǔ)存氫氣的容器(6、8、10)，其特征在于，所述至少一個(gè)容器(6、8、10)通過管路(26)與燃料電池(4)相連，沿著該管路設(shè)置有至少一個(gè)壓力傳感器(36)，其中，為了實(shí)施所述方法，利用所述至少一個(gè)壓力傳感器(36)測(cè)量在管路(26)中的流向燃料電池(4)的氫氣壓力并通過量-壓力關(guān)系計(jì)算流向燃料電池(4)的氫氣量，該量-壓力關(guān)系描述氫氣的壓力和量的相互關(guān)聯(lián)，其中，測(cè)量由燃料電池(4)產(chǎn)生的電流并通過量-電流關(guān)系計(jì)算由燃料電池(4)轉(zhuǎn)換為電能的氫氣量，該量-電流關(guān)系描述由燃料電池(4)所產(chǎn)生的電流和燃燒的氫氣量的相互關(guān)聯(lián)，其中，將計(jì)算出的氫氣量相互比較。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，將用于理想氣體的方程用于所述量-壓力關(guān)系。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，將用于氫氣的維里方程用于所述量-壓力關(guān)系。
4.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，將特性曲線用于所述量-壓力關(guān)系。
5.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，將法拉第定律方程用于所述量-電流關(guān)系。
6.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，將特性曲線用于所述量-電流關(guān)系O
7.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，如果所計(jì)算的流向燃料電池(4)的氫氣量大于通過計(jì)算確定的、由燃料電池(4)轉(zhuǎn)換為電能的氫氣量，那么就證明不密封。
8.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，將所測(cè)量的壓力的多個(gè)值和所測(cè)量的電流的多個(gè)值各自相加并用于計(jì)算待比較的量。
9.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，該方法被實(shí)施用于燃料電池系統(tǒng)(2)，該燃料電池系統(tǒng)具有多個(gè)用于儲(chǔ)存氫氣的容器(6、8、10)，其中，所有容器(6、8、10)都通過一共同的管路(26)與燃料電池(4)相連，在該管路上設(shè)置有至少一個(gè)壓力傳感器(36)，利用所述至少一個(gè)壓力傳感器測(cè)量被設(shè)置用于計(jì)算氫氣量的壓力，其中，為了檢查密封性，僅打開所述容器(6、8、10 )中的一個(gè)容器，并關(guān)閉所有其它容器(6、8、10 )或使其保持關(guān)閉。
10.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，確定流向燃料電池(4)的空氣量，并將該空氣量與至少一個(gè)所確定的氫氣量相比較。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其特征在于，測(cè)量空氣壓力并由此通過量-壓力關(guān)系計(jì)算流向燃料電池(4)的空氣量。
12.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，測(cè)量所述至少一個(gè)容器(6、8,10)的溫度，并通過焦耳-湯姆孫效應(yīng)確定所述至少一個(gè)容器(6、8、10)的氫氣通過量。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其特征在于，確定至少一個(gè)關(guān)閉的容器(6、8、10)的氫氣通過量。
14.根據(jù)權(quán)利要求12或13所述的方法，其特征在于，將所述至少一個(gè)容器(6、8、10)中的氫氣溫度與環(huán)境中的空氣溫度相比較。
15.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，將多個(gè)容器(6、8、10)中的氫氣溫度相互比較。
16.一種設(shè)備，該設(shè)備具有控制單元(72 )并設(shè)計(jì)用于檢查燃料電池系統(tǒng)(2 )的密封性，該燃料電池系統(tǒng)具有燃料電池(4)和至少一個(gè)用于儲(chǔ)存氫氣的容器(6、8、10)，其特征在于，所述至少一個(gè)容器(6、8、10)通過管路(26)與燃料電池(4)相連，沿著該管路設(shè)置有至少一個(gè)壓力傳感器(36)，其中，所述至少一個(gè)壓力傳感器(36)測(cè)量在管路(26)中的流向燃料電池(4)的氫氣壓力，其中，所述控制單元(72)通過量-壓力關(guān)系由所測(cè)量的壓力計(jì)算流向燃料電池(4)的氫氣量，其中，電流測(cè)量器(56)測(cè)量由燃料電池(4)所產(chǎn)生的電流，其中，所述控制單元(72)通過量-電流關(guān)系由所測(cè)量的電流計(jì)算由燃料電池(4)所燃燒的氫氣量，其中，所述控制單元(72)將所計(jì)算的氫氣量相互比較。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的設(shè)備，其特征在于，該設(shè)備具有所述至少一個(gè)壓力傳感器 (36)和/或所述電流測(cè)量器(56)。
【文檔編號(hào)】H01M8/04GK103748722SQ201280040747
【公開日】2014年4月23日 申請(qǐng)日期:2012年9月25日 優(yōu)先權(quán)日:2012年3月21日
【發(fā)明者】R·范多恩 申請(qǐng)人:奧迪股份公司