求取方法和燃料电池系统与流程

本发明涉及一种用于求取燃料电池系统的至少一个燃料电池的穿越速率用以调节燃料电池系统的求取方法。此外，本发明涉及一种燃料电池系统，该燃料电池系统具有多个燃料电池、水分离器、排出设备、液位检测设备和计算机单元，该燃料电池系统尤其用于机动车。

背景技术：

1、在关于聚合物电解质膜片燃料电池系统的已知的现有技术中，氢气借助氧气在产生废热和水的情况下转换成电能。在此，氢气的转换等同于，在阳极侧消耗和/或去除氢分子。燃料电池通常由被供给氢气的阳极、被供给空气的阴极和放置在它们之间的聚合物电解质膜片组成。多个这样的单个燃料电池在实际应用中被堆叠，以便提高所产生的电压。在该堆叠(称为燃料电池堆叠)内存在供给通道，所述供给通道给各个电池供给氢气和空气或运走贫化的潮湿空气以及贫化的阳极废气。

2、与水分开的阳极废气通常还包含氢气，并且因此被引回到燃料电池堆叠的输入端、被再循环。根据现有技术，再循环通常借助喷射泵和/或气体输送单元实现。为了将液态水与阳极废气的气态部分分离，使用水分离器。除了分离功能之外，水分离器通常也具有存储所分离的水的任务。在现有技术中，如果存储器是满的，则借助打开所谓的排泄阀将水导出。根据现有技术，使用液位传感器来探测水分离器的液位。在已知的燃料电池中不利的是，由此产生用于用于测量水分离器的液位的液位传感器的至少一个密封部位。

技术实现思路

1、本发明要求保护一种具有独立权利要求1的特征的用于求取燃料电池系统的至少一个燃料电池的穿越速率用以调节燃料电池系统的求取方法。此外，本发明公开一种具有独立权利要求10的特征的燃料电池系统，该燃料电池系统具有多个燃料电池、水分离器、排出设备、液位检测设备和计算机单元，该燃料电池系统尤其用于机动车。由从属权利要求、说明书和附图得出本发明的其他优点和细节。在此，在根据本发明的求取方法的背景下描述的特征当然也在根据本发明的燃料电池系统的背景下适用，相应地反之亦然，从而在对各个发明方面的公开内容方面始终相互援引之间的可以相互援引。

2、根据本发明的第一方面，本发明公开一种用于求取燃料电池系统的至少一个燃料电池的穿越速率用以调节燃料电池系统的求取方法，所述求取方法具有下述方法步骤：

3、-通过液位检测设备检测在燃料电池系统的水分离器中的水的液位，

4、-借助水分离器的排出设备将水从水分离器中排出，

5、-测量在排出期间在水分离器中的水的第一液位与至少一个第二液位之间的第一时间，

6、-通过燃料电池系统的计算机单元由测量出的第一时间和至少两个测量出的液位求取至少一个燃料电池的穿越速率，其中，该穿越速率相应于水从至少一个燃料电池的阴极侧到至少一个燃料电池的阳极侧上的渡越速率。

7、在燃料电池中，水通常以液态形式从阴极到达阳极。在阳极侧位于至少一个燃料电池、尤其是燃料电池堆叠下游的水分离器用于将液态水与流体流至少部分地分离并且收集该液态水。在此，水分离器可以如此设计，使得分离效率略微地取决于存在于入口处的液态水量。分离效率被限定为所分离的液态水除以水分离器入口处的液态水量的商。因此，示例性地，在了解水分离器中的水量的情况下，可以推断出从至少一个燃料电池的阴极侧渡越到至少一个燃料电池的阳极侧上的水的量。因此，根据本发明的穿越速率相应于水从燃料电池系统的至少一个燃料电池的阴极侧到至少一个燃料电池的阳极侧上的渡越速率。

8、为了更好地说明，示例性地，限定从水分离器在时间点t_开始处的“空状态”直至再次的“空状态”t_结束的一水分离循环。在t_开始与t_结束之间，水分离器被部分填充，直到引入排出过程。水的排出在t_开始与t_结束之间的时间点t0处在填充体积v_0的情况下开始。现在，水一直被导出，直到识别出水分离器的空状态。到达时间点t_结束。在时间点t0与t_结束之间，例如借助积分求取被导出的水量，并且获得v_导出_总。将v_导出_总除以水分离器的已知的水分离效率，得出v_穿越_总。v_穿越_总由位于t0处的体积v_0以及在t0与t_结束之间“新”分离的水量v_穿越_新组成。然而，换个角度来看，v_穿越_总相应于在t_开始与t_结束之间的穿越量，并且可以通过将v_穿越_总除以水分离循环时间(t_结束减t_开始)来确定在一水分离循环内的有效的平均穿越速率。因此，在前述例子中，示例性地，至少两个测量出的液位针对第一液位限定为v_0，和针对第二液位限定为空的水分离器或者基本上空的水分离器。在本发明的框架中，表述“x或者基本上x”应理解为例如由于生产公差、材料特性和/或过程特性造成的、可能的、小的偏差，而不改变该特征的基础的、预期的功能。

9、优选地，因此穿越速率是以每单位时间的水量为单位的比率。替代地或者附加地，穿越速率可以限定为关于燃料电池系统的水量、燃料电池系统的水输入量的百分比率，和/或限定为水从至少一个燃料电池的阴极侧到至少一个燃料电池的阳极侧上的其他渡越速率。此外有利的是，存储根据本发明的求取出的穿越速率，例如存储在燃料电池系统的存储单元和/或控制单元中，其中，能够提供求取出的穿越速率用于燃料电池系统的和/或机动车的另外的功能。

10、借助先前描述的示例性的方法流程，不能够计算实时穿越速率，而是如上所述地，可以计算平均穿越速率。例如，平均水平相应于从“空状态”直至再次“达到空状态”的一水分离循环。然而，至少一个燃料电池、尤其是由多个燃料电池组成的燃料电池堆叠，并且因此该求取方法，在实践中通常具有在求取燃料系统复合结构中的穿越速率方面的惯性。然而，在本发明的框架中，实时求取穿越速率也不是一定必需的。然而，有利地，可以缩短和/或更频繁地触发循环的用于排出的时间，以便逐步地更准确地确定穿越速率。

11、优选地，根据本发明的第一时间相应于排出的方法步骤在水分离器中的水的第一液位与至少一个第二液位之间的持续时间。该第一时间的和在下文中描述的时间的测量例如通过计算机单元或者单独的测量单元进行。

12、由水分离器的已知的结构构型和至少两个检测到的液位，可以求取在排出时从水分离器中输出的水量。与测量出的时间中的至少一个时间相关联地，可以由求取出的水量求取用于至少一个燃料电池和/或该燃料电池系统的穿越速率。

13、除非另有明确说明，先前和在下文中描述的方法步骤可以单独地、一起地、一次地、多次地、在时间上并行地和/或依次地以任意的顺序实施。命名为例如“第一方法步骤”和“第二方法步骤”，不规定任何时间上的顺序和/或优先排序。所述方法步骤的一种优选的顺序设置，以所列举的顺序实施所述方法步骤。

14、这样构型的求取方法是特别有利的，因为能够以特别简单且成本有利的手段求取燃料电池系统的至少一个燃料电池的穿越速率用于调节该燃料电池系统。

15、根据本发明的一种优选的拓展方案，在求取方法中可以设置，该求取方法此外包括：

16、-通过压力检测设备检测至少一个运行压力、尤其是阳极内部压力，其中，至少一个燃料电池的穿越速率的求取根据检测到的至少一个运行压力进行。

17、根据至少一个燃料电池的和/或燃料电池系统的运行点，存在至少一个燃料电池的和/或燃料电池系统的不同的运行压力。例如，运行压力取决于：什么样的水质量流经由水分离器的排出设备从水分离器中被排出。通过检测至少一个运行压力，能够进一步改进穿越速率的求取精度，因为至少一个燃料电池的和/或燃料电池系统的检测到的至少一个运行压力被考虑用于求取至少一个燃料电池的穿越速率。例如，检测在阳极内的和/或在燃料电池输入管线和/或燃料电池输出管线中的运行压力。

18、根据本发明的一种优选的拓展方案，在求取方法中可以设置，该求取方法此外包括：

19、-测量在排出的两个方法步骤之间的第二时间，其中，至少一个燃料电池的穿越速率的求取根据测量出的第二时间进行。

20、根据本发明的第二时间应理解为在两个方法步骤之间的、尤其是在两个在时间上直接接连的方法步骤之间的时间。示例性地，第二时间的测量可以在排出的开始时间点之间(尤其是分别在检测到的第一液位的情况下)或者排出的结束时间点之间(尤其是分别在检测到的第二液位的情况下)进行。优选地，根据测量出的第二时间求取穿越速率，尤其是其中，考虑和/或给出第一时间与第二时间之间的时间差。第一时间与第二时间之间的差可以示例性地理解为如下时间：在该时间中，水分离器从第二液位填充到第一液位。这样构型的求取方法是特别有利的，因为可以借助简单且成本有利的手段求取关于燃料电池系统的另外的信息和数据并且可以将其例如用于调设该燃料电池系统。

21、根据一种优选的拓展方案，在求取方法中可以设置，计算机单元与液位检测设备、排出设备和/或压力检测设备以数据通信和/或信号通信的方式连接，其中，在检测到第一液位时，通过计算机单元触发通过排出设备进行的排出。这样构型的求取方法是特别有利的，因为通过计算机单元能够实现有利的自动装置，其中，在检测到第一液位时，通过计算机单元触发通过排出设备进行的排出。计算机单元、液位检测设备和/或排出设备之间的以数据通信和/或信号通信的方式的连接可以有线地或者无线地构型。

22、根据本发明的一种优选的拓展方案，在求取方法中可以设置，该求取方法此外包括：

23、-根据求求取出的穿越速率调节燃料电池系统的空气湿度设备，其中，所述空气湿度设备构造为用于将空气湿度添加到燃料电池系统中和/或者从燃料电池系统中提取空气湿度。

24、优选地，根据本发明的空气湿度设备构型为用于提高和/或降低在至少一个燃料电池和/或至少一个燃料电池系统中的空气湿度。替代于或者附加于调节为在现有技术中常见的、测量出的、在阴极输入端上的湿度，基于求取出的穿越速率，能够通过空气湿度设备实现调节链。来自穿越速率的、关于在至少一个燃料电池阳极侧上的水量的信息应示例性地用于调节期望的燃料电池阴极输入端湿度并且因此调设在至少一个燃料电池的运行长度内的平均湿度。此外，该调节优选基于如下内容：至少一个燃料电池和/或燃料电池系统最初已被充分测量，使得对于燃料电池系统的不同运行点，存在用于求取的数据基础和/或用于在阴极入口上的目标湿度与阳极侧穿越速率之间的换算的数据基础。优选最初被研究的另外的影响因素是多维的，但是能够借助例如doe和/或统计测试规划在燃料电池系统上执行。这样构型的求取方法是特别有利的，因为例如传感器、尤其是在燃料电池输入端上的湿度传感器被省去。此外，在阳极侧求取出的穿越速率可以用于，优化预先控制的运行并且近似地作为反馈来优化预先控制。根据求取方法的该构型，可能的目标可以是，在干预预先控制之前实现限定的穿越速率或者将其保持在一定的界限内。

25、根据本发明的一种优选的拓展方案，在求取方法中可以设置，空气湿度设备布置在阴极侧的供应流体路径中。当该空气湿度设备布置在阴极侧的供应流体路径中时，这构成根据本发明的空气湿度设备的一种有利的构型，因为因此可以测量例如被供应给至少一个燃料电池的空气的空气湿度。因此，有利地改进该求取方法的调节，因为对燃料电池系统的空气湿度的调节优选基于在阴极侧的供应流体路径中的测量出的空气湿度进行。

26、根据本发明的一种优选的拓展方案，在求取方法中可以设置，水从水分离器中的排出以时间控制和/或量控制的方式进行。根据另一种构型，排出的频率可以手动地、自动地、主动地或者被动地提高。尤其是，如果需要水转移信息的更频繁的更新速率和/或如果在燃料电池系统的确定的运行点中能够预期状态的和/或测量参量的快速变化，则可以提高排出的频率。这样构型的求取方法是特别有利的，因为求取方法、尤其是排出的频率可以匹配于燃料电池系统的不同的应用场景和/或运行点。

27、根据本发明的一种优选的拓展方案，在求取方法中可以设置，该求取方法此外包括：

28、-通过燃料电池系统的至少一个检测传感器检测下述测量参量中的至少一个测量参量：

29、-阳极侧的化学计量，

30、-阴极侧的化学计量，

31、-至少一个燃料电池的和/或燃料电池系统的过程压力，

32、-至少一个燃料电池的和/或燃料电池系统的过程温度，

33、-至少一个燃料电池的和/或燃料电池系统的冷却剂温度，

34、-阳极侧的、尤其是阳极侧的输入端的湿度，

35、-阴极侧的、尤其是阴极侧的输入端的湿度，

36、-至少一个燃料电池的和/或燃料电池系统的电流。

37、通过燃料电池系统的至少一个检测传感器对所提到的测量参量中的至少一个测量参量的检测构成根据本发明的求取方法的一种有利的拓展方案，因为检测到的数据被提供和/或被使用用于控制和/或调节燃料电池系统和/或机动车。优选地，存储检测到的至少一个测量参量，例如存储在燃料电池系统的存储单元和/或控制单元中，其中，能够提供求取出的测量参量用于燃料电池系统的和/或机动车的另外的功能。

38、根据本发明的一种优选的拓展方案，在求取方法中可以设置，所述调节根据检测到的测量参量中的至少一个测量参量进行。对上述段落进行补充地，有利的是，对燃料电池系统的空气湿度设备的调节根据求取出的穿越速率并且根据检测到的测量参量中的至少一个测量参量进行。有利地，检测到的测量参量中的至少一个测量参量能够实现，在调节空气湿度设备时考虑至少一个附加的信息并且因此能够实现对燃料电池系统的改进的和/或更准确的调节。

39、根据本发明的第二方面，本发明公开一种燃料电池系统，该燃料电池系统具有多个燃料电池、水分离器、排出设备、液位检测设备和计算机单元。该燃料电池系统构型为用于实施根据第一方面的求取方法。

40、在所描述的燃料电池系统中，产生已经针对根据本发明的第一方面的求取方法所描述的全部优点。