燃料电池系统和用于冲扫燃料电池系统的方法与流程

1.本发明涉及一种燃料电池系统，其具有：带有阳极部和阴极部的燃料电池堆、用于将燃料从燃料源送至阳极部的阳极供应管线、用于将阳极供应管线内的燃料供应至阳极部的燃料供应装置、用于将阳极废气从阳极部排出至环境的阳极排出管线和用于冲扫阳极部的冲扫单元。本发明还涉及一种用于调节这种燃料电池系统的工作方式的方法。另外，本发明涉及一种用于执行这种方法的计算机程序产品以及一种用于存储计算机程序产品的存储介质。


背景技术：

2.同类型的冲扫单元被用在燃料电池系统的阳极排出管线中以冲扫阳极部。在此情况下，冲扫单元特别是被用于将阳极部内的氮气运离那里并送入环境。氮气可以从燃料电池堆的阴极部穿过燃料电池堆的隔膜到达阳极部并从那里到达阳极排出管线。由此，氮气可以与例如呈氢气形式的燃料一起经由循环管线和阳极供应管线又到达阳极部。为了有时排出这种混合物，阳极部可以通过冲扫单元、例如通过打开冲扫单元的冲扫阀而被冲扫。一旦冲扫阀被打开或冲扫过程开始，则阳极部内的压力降低。这种压力降低可能导致在阳极部与阴极部之间的临界压力差，其可能损伤隔膜。为了避免这一点，在现有技术中知道了用传感器单元识别这种压力降低。一旦识别出该压力降低，则例如可以通过适当驱控喷射器来抵制该压力降低。但是，在燃料电池系统的高度动态运行中相对频繁地发生冲扫过程，并且在压力降低与采取应对措施之间的延迟还是可能引起不希望的压力降低以及由此导致燃料电池堆内的压力损伤。


技术实现要素：

3.本发明的任务是至少部分考虑前述问题。特别是，本发明的任务是提供一种用于调节燃料电池系统的工作方式的方法以及一种这样的燃料电池系统，借此能够以简单可靠的方式防止压力损伤。另外，本发明的任务是提供一种计算机程序产品以及一种存储介质，在其上存储有用于执行这种方法的计算机程序产品。
4.前述任务通过权利要求书来完成。特别是，前述任务通过根据权利要求1的方法、根据权利要求5的燃料电池系统、根据权利要求9的计算机程序产品以及根据权利要求10的存储介质来完成。本发明的其它优点来自从属权利要求、说明书和图。在此，关于方法所描述的特征和细节自然也与本发明的燃料电池系统、本发明的计算机程序产品、本发明的存储介质相关地是适用的，反之亦然，因此关于对各个发明方面的公开内容总是相互参照或可相互参照。
5.根据本发明的第一方面，提出一种用于调节燃料电池系统的工作方式的方法。该燃料电池系统包括：至少一个具有阳极部和阴极部的燃料电池堆、用于将燃料从燃料源送至阳极部的阳极供应管线、用于将阳极供应管线内的燃料供应至阳极部的燃料供应装置、用于从阳极部将阳极废气排出至环境的阳极排出管线和用于冲扫阳极部的冲扫单元。该方
法具有如下步骤：
6.‑
确定冲扫开始时刻和/或要通过冲扫单元来冲扫阳极部的冲扫持续时间，并且
7.依据所确定的冲扫开始时刻和/或冲扫持续时间将该燃料供应装置从正常运行调节至专属于冲扫运行的燃料供应运行，其中，调节至专属于冲扫运行的燃料供应运行在时间上是在所确定的冲扫持续时间之前和/或期间内执行的。
8.在本发明方法的范围内，在冲扫过程尚未发生时或者至少尚未完全发生时，燃料供应装置因此已经被调节到专属于冲扫运行的燃料供应运行。即，根据本发明，燃料供应装置可以关于专属于冲扫运行的燃料供应运行或分别针对每个专属于冲扫运行的燃料供应运行被前瞻性调节。在这里，这尤其按如下目的来实现，即，尽量预防性防止在阳极部与阴极部之间可能有的压力差，而不是像迄今常见的那样事后改正。换言之，燃料供应装置可以依据所确定的冲扫开始时间和/或冲扫持续时间从正常运行被调节到专属于冲扫运行的燃料供应运行，以实现在阳极部和阴极部之间的预防性压力平衡。
9.该燃料供应装置为此优选被调节如下，即，在专属于冲扫运行的燃料供应运行中，相比于正常运行提高燃料的质量流，由此可以相应实现期望的压力平衡。
10.因为在冲扫阀打开时有大量物质流过阳极堆出口，故阳极出口质量流增大并且堆出口压力降低。这导致在燃料电池堆入口处的压力降低。通过本发明的方法，人们知道了何时要打开阀。由此，阳极供应装置(喷射器和/或引射器系统、压力调节器等)的喷射时间可被改变，以保证阳极供应质量流被增大并且获得稳定的阳极入口压力。
11.燃料供应单元优选安置在阳极供应管线之内和/或之处。即，燃料供应单元可以形成阳极供应管线的一部分。燃料供应单元可以相应布置在阳极部上游且在燃料源下游。燃料源能够以燃料罐形式提供。
12.该冲扫单元优选安置在阳极排出管线之中和/或之处。即，该冲扫单元可以形成阳极排出管线的一部分。冲扫单元可以相应布置在阳极部的下游。冲扫单元优选设计成冲扫阀或排出阀或者具有相应的阀。冲扫阀可以为了冲扫阳极部而从闭锁状态切换到流通状态。
13.阳极供应管线可以是指阳极气体供应管线，工作流体如氢气和/或含碳氢化合物的燃料或许与水蒸汽一起可被引导至阳极部的入口部。阳极排出管线可以是指如下的阳极废气管线，其将阳极气体或耗用燃料经由阳极部的出口部送至环境。阳极气体供应管线和阳极气体排出管线可以分别是指相应的管线系统。即，相应的管线不应被视为局限于唯一的管线，而是它也可以具有可至少部分输送相应流体的功能构件。
[0014]“调节到专属于冲扫运行的燃料供应运行”优选只在时间上在所确定的冲扫开始时间之前进行，即在冲扫过程开始前进行。尽管如此，燃料供应装置也可以在冲扫开始时刻之时和/或随后不久被切换到专属于冲扫运行的燃料供应运行。所述至少一个燃料电池堆分别具有阳极部、阴极部以及电解质膜，电解质膜夹设在阳极部与阴极部之间。燃料供应装置可以依据所确定的冲扫开始时间和/或冲扫持续时间从正常运行被调节到专属于冲扫运行的燃料供应运行，以实现在所述阳极部和阴极部之间的预防性压力平衡以保护电解质膜。
[0015]
在本发明范围内，冲扫开始时间是指如下时刻，此时开始用于冲扫阳极部和/或阳极路径的冲扫过程，该阳极路径至少部分包含该阳极供应管线、阳极排出管线以及包含用
于将阳极废气循环到阳极供应管线和/或阳极部中的循环管线。冲扫开始时间因此尤其是指如下时刻，此时阀(冲扫阀)优选是打开的，以开始冲扫。
[0016]
在本发明范围内，冲扫持续时间是指如下时间，在此期间执行用以冲扫阳极部和/或阳极路径的冲扫过程，该阳极路径至少部分包含该阳极供应管线、阳极排出管线以及包含用于将阳极废气循环到阳极供应管线和/或阳极部中的循环管线。特别是，该冲扫持续时间因此是指相应的时间段，在此期间阀(冲扫阀)优选是打开的(在打开位置)。
[0017]
尤其优选地不仅确定冲扫开始时间，也确定冲扫持续时间。根据本发明的另一个实施方式，燃料供应装置可以具有至少一个喷射器并且通过将燃料供应装置从正常运行调节到专属于冲扫运行的燃料供应运行来调节喷射器的占空率和/或喷射频率。通过调节或调整喷射器的占空率和/或喷射频率，可以通过简单可靠的方式影响送向阳极部的燃料质量流。相应简单且可靠地，可以针对可能面临的压力差做出反应，和/或可以实现期望的压力平衡。喷射器能够设计成喷嘴、引射器或优选是喷射
‑
引射器的形式。占空率是指驱控率或占空比，其针对根据标准的周期性脉冲序列来说明脉冲持续时间与周期持续时间之比。该占空率位于0至1之间或者说0％至100％之间的范围。在将喷射器从正常运行调节到专属于冲扫运行的燃料供应运行时，占空率的值可按照可预先规定的和/或可计算的值被提高。另外，在将喷射器从正常运行调节到专属于冲扫运行的燃料供应运行时，能够按照可预先规定的值来提高喷射频率。通过调节喷射频率来调节用于将燃料喷向和/或喷入阳极部的喷入量。根据本发明，也可设有两个、三个或更多的喷射器。有利的是在此也设有循环管线。
[0018]
还可行的是，在根据本发明的方法中，燃料电池系统具有用于将阳极废气从阳极部送至燃料供应装置的循环管线以及将阳极废气经由循环管线泵送至燃料供应装置的循环泵，其中，该循环泵依据所确定的冲扫开始时间和/或冲扫持续时间从正常运行被调节到专属于冲扫运行的泵运行，并且其中，“调节到专属于冲扫运行的泵运行”在时间上在所确定的冲扫持续时间之前和/或期间内进行。事实表明，对期望的压力平衡有利的是，预防性地在可预先规定的工作模式中出现循环泵的泵运行，以便可控地提高所循环的阳极废气的质量流。这也可以在控制和/或调节技术上快速、简单且可靠地实现。该循环泵有利地以与压力调节器结合的方式被装入，或者与压力调节器配合使用。
[0019]
原则上有利的是采用上述的尤其是作为喷射
‑
引射器原理应用的喷射器解决方案或者带有压力调节器的循环泵，其中，它们也可以被组合。在任何情况下都有利的是设有循环管线。于是，在循环管线内有利地设置有喷射
‑
引射器和/或带有压力调节器的循环泵。另外，在本发明的方法中可行的是，在所述阳极部与阴极部之间的压力差被确定、尤其被连续确定，其中，该燃料供应装置的专属于冲扫运行的燃料供应运行和/或该循环泵的专属于冲扫运行的泵运行依据所确定的压力差被调整。因此，阳极部与阴极部之间的压力差可以通过简单可靠的方式连续保持在期望值。在将燃料供应装置调整到专属于冲扫运行的燃料供应运行时，因此不必局限于一次性控制步骤，而是相反可以被理解为调节环路。换言之，专属于冲扫运行的燃料供应运行可以在所确定的冲扫持续时间之前和/或期间内根据多种不同的测量参数来连续调整。
[0020]
根据本发明的另一个方面，提供一种燃料电池系统。燃料电池系统具有：带有阳极部和阴极部的燃料电池堆、用于将燃料从燃料源送至阳极部的阳极供应管线、用于将阳极供应管线内的燃料供应至阳极部的燃料供应装置、用于将阳极废气从阳极部排出到燃料电
池系统环境的阳极排出管线和用于冲扫阳极部的冲扫单元。燃料电池系统还具有用于确定冲扫开始时间和/或确定要通过冲扫单元来冲扫阳极部的冲扫持续时间的冲扫时间测定单元和用于在时间上在所确定的冲扫持续时间之前和/或期间内依据所确定的冲扫开始时间将燃料供应装置从正常运行调节到专属于冲扫运行的燃料供应运行的调节单元。因此，根据本发明的燃料电池系统带来与关于本发明装置所明确描述的一样的优点。
[0021]
与前述的方法对应地，在本发明的燃料电池系统中可行的是，燃料供应装置具有喷射器或设计成喷射器，并且该调节单元具有至少一个用于通过调节喷射器的占空率和/或喷射频率来将燃料供应装置从正常运行调节到专属于冲扫运行的燃料供应运行的调节机构。如上所述，喷射器能够设计成喷嘴、引射器或喷射
‑
引射器的形式。在后述的变型设计方案中，喷射器可以具有用于将呈燃料形式的初级燃料从燃料源喷入喷射器混合腔的喷嘴。此外，喷射器可以具有用于将呈循环阳极废气形式的次级燃料送入混合腔的次级燃料入口。另外，喷射器在此情况下可以具有在混合腔下游的扩散器以及喷嘴，借此可以将由初级燃料和次级燃料构成的且处于升压下的燃料混合物朝着阳极部输出和/或输出到阳极部中。调节单元可以具有用于调节或控制和/或调整占空率的占空驱控模块。另外，调节单元可以具有用于调节或控制和/或调整喷射频率的频率模块。通过单独提供相应的模块，喷射器可以被高效可靠地调节。
[0022]
可能进一步有利的是，在本发明的燃料电池系统中设有用于将阳极废气从阳极部送至燃料供应装置的循环管线以及用于将阳极废气经由循环管线泵送至燃料供应装置的循环泵，其中，该调节单元具有如下泵模块，它用于依据所确定的冲扫开始时间和/或冲扫持续时间在时间上在所确定的冲扫开始时刻之前和/或之后将循环泵从正常运行调节到专属于冲扫运行的泵运行方式。原则上，该调节单元优选也可以具有如下泵模块，它用于依据所确定的冲扫开始时间和/或冲扫持续时间在时间上正好在所确定的冲扫开始时刻将循环泵从正常运行调节到专属于冲扫运行的泵运行方式。该循环泵可以安置在循环管线之中和/或之处，尤其在阳极部的阳极出口的下游且在阳极部的阳极入口的上游。该循环管线优选设计用于将阳极废气从阳极部经由阳极排出管线以及阳极供应管线回输至阳极部。即，循环管线可以被设计成用于阳极排出管线与阳极供应管线之间流体连通的连通管线。
[0023]
在本发明的另一个变型设计方案中，该燃料电池系统具有用于确定在所述阳极部与阴极部之间的压力差的压力测定单元，其中，该调节单元具有调整单元，用于依据所确定的压力差来调整燃料供应装置的专属于冲扫运行的燃料供应运行方式和/或循环泵的专属于冲扫运行的泵运行方式。因此能够获得以上关于相应方法所描述的优点。
[0024]
根据本发明的另一个方面，提出一种计算机程序产品，其所包含的指令在由计算机运行计算机程序产品时促使计算机执行前述的方法。因此，本发明的计算机程序产品本身也带来前述的优点。计算机程序产品能够以计算机可读的指令代码形式以任何合适的编程语言例如像java、matlab、python、c#和/或c 来实现。计算机程序产品可以被存储在计算机可读的存储介质如数据盘、可移动驱动器、易失或非易失存储器或者内置式存储器/处理器中。指令代码可以如此对计算机或其它可编程设备如控制器进行编程，即，执行期望功能。此外，计算机程序产品可以在网络如互联网中提供，其可以由使用者根据需要从网络下载。计算机程序产品不仅可以借助计算机程序、即软件来实现，也可以借助一个或多个专用电子电路、即以硬件来实现，或者以任何混合形式、即借助软件组成部分和硬件组成部分二
者来实现。在本发明范围内，计算机是指任何重放装置，其设计用于执行计算机程序产品。
[0025]
此外，在本发明范围内提出一种存储介质连同存储在其上的如上所述的计算机程序产品。存储介质尤其是指非易失存储介质。存储介质能够设计成数据盘、可移动驱动器或处理器或控制器。即，根据本发明，也提出一种控制器，其具有安装在其中的如上所述的计算机程序产品。该控制器可以具有所述压力测定单元、用于确定未来的冲扫开始时间和/或冲扫持续时间的冲扫时间测定单元以及具有调节机构的调节单元、用于将燃料供应装置从正常运行调整到专属于冲扫运行的燃料供应运行方式的调整单元和用于依据所确定的冲扫开始时间和/或冲扫持续时间将循环泵从正常运行调节到专属于冲扫运行的泵运行方式的泵模块。相应的功能单元能够以该控制器的软件组成部件和/或硬件组成部件的形式实现。
附图说明
[0026]
改善本发明的其它措施来自以下对如图示意性所示的本发明各实施例的说明，附图分别示意性示出：
[0027]
图1示出用于描述根据本发明的一个优选实施方式的燃料电池系统的框图，
[0028]
图2示出用于说明根据本发明的第一实施方式的方法的流程图，
[0029]
图3示出用于说明根据本发明的第二实施方式的方法的流程图。
具体实施方式
[0030]
图1示意性示出用于描述根据一个优选实施方式的燃料电池系统1的框图。燃料电池系统1具有带有阳极部3和阴极部4的燃料电池堆2。燃料电池系统1还具有用于将燃料从燃料源6送至阳极部3的阳极供应管线5、将燃料经由阳极供应管线5供应至阳极部3的燃料供应装置7、用于将阳极废气从阳极部3排出到燃料电池系统1环境的阳极排出管线8和用于冲扫阳极部3的冲扫单元9。此外，燃料电池系统1具有用于将尤其呈空气形式的阴极气体送至阴极部4的阴极供应管线18以及用于将阴极废气或阴极排气从阴极部4排出到燃料电池系统1环境的阴极排出管线19。在燃料供应装置7的上游且在燃料源6的下游设有呈截止阀形式的降压单元12，用于降低阳极供应管线5和相应地该阳极部3内的压力。
[0031]
燃料电池系统1还具有控制器17，其具有用于确定冲扫开始时间和/或用于确定要或用以通过冲扫单元9来冲扫阳极部3的冲扫持续时间的冲扫时间测定单元14以及用于在时间上在所确定的冲扫持续时间之前和/或期间内依据所确定的冲扫开始时间将燃料供应装置7从正常运行调整到专属于冲扫运行的燃料供应运行方式的调节单元15。
[0032]
燃料供应装置7设计成至少一个喷射
‑
引射器。原则上也可以设置多个喷射器和/或引射器和/或其组合。调节单元15具有呈占空率模块15a以及频率模块15b形式的两个调节机构，用于通过调节喷射器的占空率和/或喷射频率来将燃料供应装置7从正常运行调整到专属于冲扫运行的燃料供应运行方式。即，为了提高送向阳极部3的燃料质量流且进而抵制冲扫期间的压力降，可以通过占空率模块15a提高该占空率，通过频率模块15b提高喷射频率。
[0033]
此外，在燃料电池系统1内设有用于将阳极废气从阳极部3送至燃料供应装置7的循环管线10以及用于经由循环管线10将阳极废气泵送至燃料供应装置7的循环泵11，其中，
调节单元15具有泵模块15c，用于依据所确定的冲扫开始时间和/或冲扫持续时间在时间上在所确定的冲扫开始时刻之前将循环泵11从正常运行调整到专属于冲扫运行的泵运行方式。
[0034]
根据本发明，可能也有利的是，设有至少一个喷射
‑
引射器或者循环泵11。它们不一定像在图1中那样组合。如果循环管线10设计成不带喷射
‑
引射器，则代替喷射
‑
引射器地设有压力调节器和/或循环泵11。
[0035]
此外，控制器17具有用于确定在所述阳极部3和阴极部4之间的压力差的压力测定单元13，其中，该调节单元15具有用于依据所确定的压力差来调整燃料供应装置7的专属于冲扫运行的燃料供应运行方式的调整单元15d。
[0036]
此外，在控制器17内安装有计算机程序产品16，所包含的指令在由在此呈控制器17形式的计算机运行计算机程序产品16时促使计算机执行随后关于图2所描述的方法。
[0037]
根据如图2所示的流程图，在第一步骤s1中首先确定未来的、应通过冲扫单元9冲扫该阳极部的冲扫持续时间。在后续步骤s2中，依据所确定的冲扫持续时间将燃料供应装置7从正常运行调整或调节到专属于冲扫运行的燃料供应运行方式，在这里，调整到专属于冲扫运行的燃料供应运行方式在时间上是在所确定的冲扫持续时间之前和/或期间内进行的。关于图1所示的燃料电池系统1和安装在其中的呈喷射
‑
引射器形式的燃料供应装置7，在将燃料供应装置7从正常运行调整到专属于冲扫运行的燃料供应运行方式时，调节喷射
‑
引射器的占空率以及喷射频率。
[0038]
图3示出用于说明根据第二实施方式的用于调节燃料电池系统1的方法的流程图。步骤s10和s20在此情况下对应于关于图2所描述的方法的步骤s1和s2。除了步骤s20外还执行步骤s30，在此步骤中依据所确定的冲扫持续时间将循环泵11从正常运行调整到专属于冲扫运行的泵运行方式，其中，调整到专属于冲扫运行的泵运行方式在时间上也是在所确定的冲扫持续时间之前和/或期间内进行的。随后在步骤s40中连续确定在阳极部3和阴极部4之间的压力差。依据所确定的压力差，在随后的步骤s50中调整燃料供应装置7的专属于冲扫运行的燃料供应运行方式和/或循环泵11的专属于冲扫运行的泵运行方式。
[0039]
本发明可以除了所示的实施方式外还允许其它的设计原则。就是说，本发明不应被认为局限于关于附图所说明的实施例。
[0040]
附图标记列表
[0041]1ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
燃料电池系统
[0042]2ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
燃料电池堆
[0043]3ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
阳极部
[0044]4ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
阴极部
[0045]5ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
阳极供应管线
[0046]6ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
燃料源
[0047]7ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
燃料供应装置
[0048]8ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
阳极排出管线
[0049]9ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
冲扫单元
[0050]
10
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循环管线
[0051]
11
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
循环泵
[0052]
12
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
降压单元
[0053]
13
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
压力测定单元
[0054]
14
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
冲扫时间测定单元
[0055]
15
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调节单元
[0056]
15a
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
占空率模块(调节机构)
[0057]
15b
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
频率模块(调节机构)
[0058]
15c
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
泵模块
[0059]
15d
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
调整单元
[0060]
16
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
计算机程序产品
[0061]
17
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控制器
[0062]
18
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
阴极供应管线
[0063]
19
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阴极排出管线