用于提高燃料电池堆的运行的安全性和/或可靠性的方法

技术领域

本发明涉及一种用于运行燃料电池堆、尤其是车辆中的燃料电池堆的方法。

背景技术

车辆、尤其是道路机动车可具有燃料电池系统，该燃料电池系统包括具有多个燃料电池的燃料电池堆，其中，燃料电池系统基于燃料、如氢气来产生用于运行车辆、尤其是用于驱动车辆的电能。

在燃料电池系统的运行的范围内，消耗来自燃料电池系统的环境空气的氧气，其中，在燃料电池系统中发生反应时，通常由氢气和氧气产生水作为废气。

视燃料电池系统的环境的通风情况而定，氧气的消耗可导致燃料电池系统的环境中氧气变稀薄。这种氧气变稀薄可对燃料电池系统用户的安全性产生负面影响和/或导致燃料电池系统的运行受到负面影响。

发明内容

在这里公开的技术的一个优选的任务在于，减少或消除在先已知的解决方案的至少一个缺点或提出一种替代的解决方案。尤其是，在这里公开的技术的一个优选的任务在于提高车辆燃料电池系统的运行的安全性和/或可靠性。其他优选的任务可由在这里公开的技术的有益效果来得到。所述一个或多个任务分别通过独立权利要求1和11的技术方案来解决。从属权利要求构成优选的实施方式。

根据一方面，描述一种用于提高燃料电池堆的运行的安全性和/或可靠性的方法。燃料电池堆可包括一个或多个燃料电池。燃料电池堆可以是车辆、尤其是道路机动车的一部分。尤其是，燃料电池堆可设置为用于(基于包括氢气在内的燃料以及基于氧化剂、尤其是空气)产生用于运行车辆的驱动马达的电能。所述方法可通过车辆的控制设备来实施。

所述方法包括：确定：燃料电池堆位于具有降低的空气交换率的空间中、尤其是位于车库中。为此目的，可查明关于燃料电池堆所处的车辆的运动的运动数据。尤其是，可查明燃料电池堆或车辆的运动的空间范围(并且由此推断出封闭空间的空间范围)。替代地或补充地，可查明关于燃料电池堆和/或车辆的位置的位置数据(例如GPS坐标)。然后可将燃料电池堆和/或车辆的当前位置与数字的地图信息进行比较，在数字的地图信息中例如列有建筑物和/或车库及其位置。例如可由数字的地图信息(数字的地图信息的形式例如为数据库)确定(即读取)：燃料电池堆位于具有降低的空气交换率的空间中。此外，可选地，能够查明所述空间的空气交换率和/或体积的值。

替代地或补充地，可检测关于燃料电池堆和/或车辆的直接环境的环境数据(例如借助车辆的环境传感器、如图像摄像头来检测)。然后可分析评价环境数据，以便查明燃料电池堆和/或车辆是否位于封闭空间中。

替代地或补充地，可查明关于由车辆发出和/或接收和/或发出过和/或接收过的电磁信号的遮蔽和/或衰减的信号数据。例如可由之前接收过的信号的消失(即由未接收到之前接收过的信号)来推断出停放在封闭空间内。替代地或补充地，可检测关于燃料电池堆和/或车辆的用户的输入的输入数据(例如经由车辆的用户接口来实现)。

然后能够以可靠的方式基于运动数据、位置数据、环境数据、信号数据和/或输入数据来确定燃料电池堆是否位于具有降低的空气交换率的空间中。

此外，所述方法包括：查明关于燃料电池堆在一段时间间隔内的氧气消耗的消耗信息。所述方法可周期性地重复，例如以特定的频率或重复率来重复。所述时间间隔可具有在所述方法的两个重复之间的时间长度Δt。

在所述方法的范围内，可查明燃料电池堆在所述时间间隔内的燃料消耗。为此目的，一方面可检测进入燃料电池堆中的燃料的质量流量。此外，可检测燃料电池堆的废气中未反应的燃料的量。然后由差可查明燃料电池堆的实际燃料消耗。

然后可基于在燃料电池堆中的燃料与氧气之间的反应的化学计量(例如根据反应公式2H

此外，所述方法包括：基于空气交换率来查明关于在所述时间间隔内输送给所述空间的氧气量的流入信息。在此，每单位时间输送的氧气量通常随着空气交换率的提高而升高。空气交换率可基于位置数据以及基于数字的地图信息来查明，其中，地图信息可表明针对不同建筑物的空气交换率。替代地或补充地，可采用关于空气交换率的最坏情况假设(例如每小时0.03的空气交换，根据SAE得到)。

在所述方法的范围内，可查明关于所述空间中的空气体积V的体积信息(例如基于数字的地图信息或基于环境数据来查明)。换言之，可查明，多少体积V的空气位于封闭空间中。此外，可查明在流动到所述空间中的空气的氧气含量与从所述空间中流出的空气的氧气含量之间的氧气含量差。流动到所述空间中的空气的氧气含量通常为约21％。在所观察的时间间隔内从所述空间中流出的空气通常具有针对氧气含量的最后(借助所述方法)查明的估算值。

关于输送给所述空间的氧气量的流入信息则能够以精确且高效的方式基于氧气含量差、空气交换率、体积信息和时间间隔的时间长度Δt来查明。

此外，所述方法包括：基于消耗信息以及基于流入信息(尤其是基于所消耗的氧气量和所输送的氧气量之差)来查明针对所述空间中的空气的氧气含量的估算值。尤其是，可基于流入信息以及基于消耗信息来查明在所述时间间隔内所述空间中的氧气量的改变。然后，可基于在所述时间间隔内所述空间中的氧气量的改变来更新针对(在时间点t+Δt上的)氧气含量的估算值(基于针对在时间点t上的氧气含量的估算值)。

可在一序列的时间点上重复对消耗信息的查明、对流入信息的查明和对氧气含量的估算值的查明，以便针对所述序列的时间点查明氧气含量的估算值。在此，所述序列的时间点中的各时间点可分别在时间上彼此间隔开Δt。因此，能够以高效且可靠的方式监测封闭空间中氧气含量的时间发展。因此，可实现燃料电池堆的安全且可靠的运行。

为了提高燃料电池堆的运行的安全性和/或可靠性，所述方法可尤其是包括：根据针对氧气含量的所查明的估算值来采取和/或执行至少一个措施，尤其是当所查明的估算值到达或低于氧气含量阈值时采取和/或执行至少一个措施。示例性的措施是：给燃料电池堆的用户输出提示；用于提高所述空间的空气交换率的至少一个措施；和/或用于降低燃料电池堆的氧气消耗的至少一个措施。

所述空气交换率可与燃料电池堆的运行的运行条件有关、尤其是与燃料电池堆的直接环境中的压力有关。在所述方法的范围内，可查明关于在所述空间内的压力相对于在所述空间外的压力的压力信息。尤其是，可查明相对于所述空间的外部环境，在所述空间中是存在过压、还是经平衡的压力还是负压。空气交换率和/或流入信息则可基于压力信息来查明。因此，可进一步提高所查明的氧气含量的估算值的精度。

在燃料电池堆运行时，通常将水蒸气作为反应产物从燃料电池堆排出。在所述方法的范围内，可查明在所述空间中冷凝的水蒸气的份额。为此目的，可查明关于所述空间中的空气的温度的温度信息和/或关于所述空间的冷凝面的温度的温度信息。此外，可查明关于所述空间中的空气的相对空气湿度的湿度信息。在所述空间中冷凝的水蒸气的份额则能够以精确且高效的方式基于温度信息以及基于湿度信息(根据水的露点表)来查明。

所述压力信息可与在所述空间中冷凝的水蒸气的份额有关。尤其是，当相对高的水蒸气的份额冷凝时，通常在所述空间内存在负压。另一方面，当相对小的水蒸气的份额冷凝时，通常在所述空间内存在过压。因此，能够以精确方式更新在燃料电池堆的运行期间空间的空气交换率，这能实现查明针对氧气含量的精确估算值。

根据另一方面，描述一种用于提高燃料电池堆的运行的安全性和/或可靠性的方法。在该文件中描述的方面也能够应用于该方法。

所述方法包括：在一序列的时间点上查明关于燃料电池堆的运行的测量数据。因此，可查明一个或多个测量参量的值的时间曲线。所述一个或多个测量参量可包括和/或所述测量数据可表明：(作为氧化剂)输送给燃料电池堆的空气的体积流量和/或质量流量；输送给燃料电池堆的燃料(尤其是氢气)的体积流量和/或质量流量；由燃料电池堆产生的电功率的量；在燃料电池堆运行时产生的温度或热量；燃料电池堆的废气中未反应的燃料的量和/或份额；和/或为了燃料电池堆的反应所提供的空气量的空气系数。

基于在所述序列的时间点上的测量数据、尤其是基于所述一个或多个测量参量的值的时间曲线则可确定：燃料电池堆的环境中的空气的氧气含量已改变、尤其是已降低。尤其是，一个测量参量的值在时间上的改变在除此以外针对一个或多个其他测量参量的值恒定的情况下可以是针对输送给燃料电池堆的空气中的氧气含量改变的提示。

氧气含量的改变、尤其是降低可以是燃料电池堆(尤其是燃料电池堆所处的车辆)位于具有降低的空气交换率的封闭空间中的标志。

如果检测到氧气含量改变，可采取或执行一个或多个用于提高燃料电池堆的运行的安全性和/或可靠性的措施。因此，能实现燃料电池堆的运行的安全性和/或可靠性的高效且可靠的提高。

可基于测量数据以及基于针对燃料电池堆的运行的特征数据来查明针对燃料电池堆的环境中的空气的氧气含量的估算值。在此，所述特征数据可针对多个测量参量的不同的值组合表明氧气含量的相应估算值。特征数据可提前通过在燃料电池堆上的试验来查明并且存储。因此，能够以高效且精确的方式查明输送给燃料电池堆的空气的氧气含量。

测量数据可涉及在燃料电池堆内的湿度。尤其是，测量数据可表明：水从燃料电池堆的废气到燃料电池堆的反应空间中、尤其是至燃料电池堆的阴极的再循环的程度、持续时间和/或频率。替代地或补充地，测量数据可表明：对燃料电池堆的阳极和/或阴极的加湿的程度、持续时间和/或频率。

因此，基于测量数据可查明在燃料电池堆内的湿度和/或水含量的发展。燃料电池堆的湿度和/或水含量通常与作为氧化剂输送给燃料电池堆的空气的空气湿度有关。在封闭空间中，通常封闭空间中的空气的空气湿度由于从燃料电池堆排出的水而升高。由此，当燃料电池堆在封闭空间中运行时，燃料电池堆的湿度和/或水含量也升高。关于在燃料电池堆内的湿度的测量数据因此可考虑作为针对燃料电池堆是否在封闭空间内运行的标志。此外，由关于湿度的测量数据可推断出封闭空间中的空气的氧气含量，尤其是因为氧气含量随着燃料电池堆的运行持续时间增加而降低，而空气湿度以相应的方式随着燃料电池堆的运行持续时间增加而升高。在此，空气湿度可反过来与逐渐降低的氧气含量成比例地升高(如果不发生排出的水的冷凝)。

因此在所述方法的范围内可基于在所述序列的时间点上的测量数据检测燃料电池堆的环境中的空气的空气湿度的提高。当检测到燃料电池堆的环境中的空气的空气湿度提高时，则能够可靠地确定：燃料电池堆的环境中的空气的氧气含量降低。

根据另一方面描述一种设备，所述设备设置为用于实施在本文件中描述的方法中的一个或多个方法。

根据另一方面描述一种道路机动车(尤其是轿车或载重车或客车或摩托车)，该道路机动车包括在本文件中描述的设备。

根据另一方面，描述一种软件(SW)程序。该SW程序可设置为用于在处理器上(例如在车辆的控制器上)实施，并且用于由此实施在本文件中描述的方法中的至少一个方法。

根据另一方面，描述一种存储介质。该存储介质可包括SW程序，该SW程序设置为用于在处理器上实施，并且用于由此实施在本文件中描述的方法中的至少一个方法。

要注意的是，在本文件中描述的方法、设备和系统不仅可单独使用，而且可与其他的在本文件中描述的方法、设备和系统组合地使用。此外，在本文件中描述的方法、设备和系统的每个方面能够以各种方式彼此组合。尤其是，各权利要求的特征能够以各种方式彼此组合

附图说明

下面依据实施例详细描述本发明。附图中：

图1示出车辆的示例性部件；

图2示出带有车辆的封闭空间；

图3示出用于运行燃料电池系统的一种示例性方法的流程图；以及

图4示出用于运行燃料电池系统的另一种示例性方法的流程图。

具体实施方式

如开头所阐述的，本文件的任务在于提供燃料电池系统、尤其是机动车中的燃料电池系统的可靠且安全的运行。就此而言，图1示出车辆100的示例性部件。尤其是，图1示出燃料电池堆101，该燃料电池堆通常包括多个燃料电池。燃料电池堆101设置为用于产生用于运行车辆100的驱动马达的电能。为此目的，可给燃料电池堆输送来自燃料容器102(尤其是来自压力容器102)的燃料121。

燃料电池堆101的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离子可透过的隔板隔开。阳极被供应燃料121。优选的燃料是：氢气、低分子醇、生物燃料或液化天然气。阴极被供应氧化剂122。优选的氧化剂122是：空气、氧气和过氧化物。离子选择性的隔板可例如构造为质子交换膜(PEM)。优选地，使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：

在燃料电池堆101的燃料电池中产生的反应产物(尤其是水)可作为废气123经由一个或多个废气通道从燃料电池堆101中排出。

此外，车辆100包括用于控制具有燃料电池堆101的燃料电池系统的运行的设备110。为此目的，可查明测量数据111，其中，测量数据111可表明一个或多个测量参量的值。示例性的测量参量是：

·进入到燃料电池堆101中的燃料121和/或氧化剂122的体积流量；

·由燃料电池堆101产生的电功率；

·各个燃料电池内的水的量；和/或

·废气123中未反应的燃料121的量。

设备110设置为用于基于测量数据111来改变燃料电池堆101的一个或多个运行参数112。示例性的运行参数112是：

·进入到燃料电池堆101中的燃料121和/或氧化剂122的体积流量；

·用于以燃料121冲扫燃料电池的阳极的冲扫循环的持续时间、强度和/或频率(以便带走惰性气体和/或冷凝物)；在此，强度可尤其是表明被用于冲扫阳极的燃料121的质量流量；

·空气系数、即氧化剂122与燃料121之比；通过改变空气系数可改变燃料电池堆101的燃料电池阴极上的水的量；和/或

·输送给阳极和/或阴极的气体的加湿和/或干燥。

设备110因此可(经由氧化剂运送器的参数)查明所输送的氧化剂122(尤其是空气)的质量作为测量数据111。此外，设备110可(经由燃料电池堆101的阀控制和/或喷射器控制)查明燃料121消耗作为测量数据111。此外，设备110可(尤其是经由电池单体电压和所引起的电流)查明燃料电池堆101的所产生的电功率作为测量数据111。此外，可经由相应的传感装置(例如经由λ探测器)查明废气123中未反应的燃料121(尤其是氢气)和/或氧气的量作为测量数据111。

测量数据111可由设备110用于识别氧化剂122内的氧气含量的改变(尤其是下降)。例如废气123中未反应的燃料121的量升高(在除此以外其他条件保持不变的情况下)是氧化剂122内的氧气含量降低的一个标志。尤其是，氧气含量的改变(尤其是下降)可经由废气123中的测得的空气系数来识别。

如上文所阐述的，在燃料电池堆101运行时，通常产生水作为废气123。燃料电池堆101的运行因此通常、尤其是在存在氧气变稀薄的情况下或在燃料电池堆101在封闭空间中运行时导致燃料电池堆101的环境空气的空气湿度升高并且因此在一定程度上经由外部的再循环导致输送给阴极的气体的空气湿度升高。提高的空气湿度因此通常导致燃料电池的湿度提高。在燃料电池堆101的电池单体内的提高的湿度可检测作为测量数据111。

设备110可设置为用于将燃料电池堆101的燃料电池的阳极和/或阴极的湿度分别调整、尤其是调节到特定的目标值。例如，当识别到阴极湿度过低时，可进行来自反应产物的水至燃料电池的阴极的再循环。替代地或补充地，当识别到阳极湿度过低时，可对输送给阳极的气体进行加湿。因此，基于水再循环和/或阳极加湿的程度和/或频率可推断出燃料电池堆101的燃料电池的湿度。

此外，由燃料电池堆101的燃料电池的提高的湿度可推断出燃料电池堆101的环境中的空气的空气湿度提高并且因此推断出环境空气的氧气变稀薄。

因此，设备110可设置为用于在燃料电池堆101运行时基于测量数据111和/或基于运行参数112来识别或确定：存在氧气变稀薄。此外，设备110可设置为用于关于所识别的氧气变稀薄采取一个或多个措施。示例性的措施是：

·输出(声学和/或光学)警告提示；

·一个或多个用于提高燃料电池堆101的环境中的通风和/或空气交换的措施；和/或

·限制、限界和/或结束通过燃料电池堆101产生的氧气消耗。

当具有燃料电池堆101的车辆100位于封闭空间200内、尤其是位于(相对小的)车库内时，则尤其是可能发生氧气变稀薄。图2示出示例性的在车库200(作为针对封闭空间的示例)内的具有燃料电池堆101的车辆100。车库200通常允许相对小的气体交换或相对小的空气交换率221。此外，车库200通常具有相对小的体积V，该体积通过车库200的尺寸211、212、213得到。

设备110可设置为用于对于燃料电池堆101的运行阶段(对于该运行阶段不能排除停放在车库200中的情况)，查明在车库200内的氧气浓度。在此，可假设车库200的特定的空气交换率221(该车库是例如根据美国汽车工程师学会SAE定义的具有每小时0.03空气交换的空气交换率221的车库200)。

因此在每个时间点可查明针对燃料电池堆101(尤其是车库200内的燃料电池堆)的环境中的氧气含量的估算值。在到达或低于预先设定的氧气含量阈值的情况下可采取上述措施中的一个或多个措施。

设备110可设置为用于确定车辆100是否位于具有降低的空气交换率221的封闭空间200中。为此目的，例如可分析车辆100各车轮的运动。车轮在与典型的车库尺寸211无法相协调的路程(例如10米或以上)上的运动可作为针对如下的标志来考虑，即，没有停放在车库200中。替代地或补充地，可考虑关于车辆100当前位置和/或地理信息(例如关于建筑物和道路网的数字的地图信息)的位置数据，以便确定车辆100是否位于车库200中。替代地或补充地，可考虑电磁信号的遮蔽和/或衰减，以便确定车辆100是否位于车库200中。替代地或补充地，可使用车辆100的摄像头和图像处理系统，以便基于车辆100环境的图像数据来确定车辆100是否位于车库200中。替代地或补充地，可基于车辆100用户的输入来确定车辆100是否位于车库200中。

尤其是当确定车辆100位于具有降低的空气交换率221的空间200中时，设备110可设置为用于基于测量数据111、尤其是基于当前燃料消耗来查明当前氧气消耗。在此，氧气与燃料121之比通过参与的反应的化学计量来得到，所述反应尤其是在燃料电池的情况下是2H

图4示出用于查明燃料电池堆101的环境空气中的氧气含量的一种示例性的方法400。在此，可假设，燃料121(通常以压缩的形式)由具有恒定的容积的容器102提供。因此，可假设，容器102的容积保持恒定(即使燃料121被消耗)。

在步骤401中，可确定燃料电池堆101是否位于具有降低的空气交换率221的空间200中。如果确定燃料电池堆101位于具有足够高的空气交换率221的环境中，则可假设如下基本值作为针对在时间点t时的氧气含量的估算值O

如果另一方面确定燃料电池堆101位于具有降低的空气交换率221的空间200中，则可查明，在带有长度Δt的时间间隔内消耗了多少氧气。所消耗的氧气体积可基于测量数据111来查明。尤其是，可查明所消耗的燃料121体积(即在带有长度Δt的时间间隔内的H

此外，基于空气交换率221可查明，多少氧气在时间间隔Δt期间新流动到封闭空间200中。在此，通常进行具有满的氧气含量(例如具有21％的基本值)的空气与具有降低的氧气含量、即O

总共交换的空气体积与封闭空间200的体积V、空气交换率221和时间间隔的长度Δt有关。因此，依据图4中所示的公式(见步骤403)可查明在时间间隔Δt内流入的O

然后基于在所述时间间隔内流入的O

然后可将经更新的估算值O

在方法400的范围内可区分在燃料电池堆101的运行时产生的水蒸气是作为气态的组成部分保留在封闭空间200中还是通过冷凝转变成液相。为此目的，可考虑燃料电池堆101环境中的温度、尤其是所述空间200中的温度。替代地或补充地，可考虑空间200是否具有冷凝点和/或冷凝面，通过所述冷凝点和/或冷凝面可促使所产生的水发生冷凝。此外，可查明空间200的冷凝面的温度。替代地或补充地，可考虑水的露点表，所述露点表根据空气温度和相对空气湿度来表明如下露点，从所述露点起在冷凝面处发生水的冷凝。

当查明所产生的水(绝大部分)保留在气态的状态中时，则水蒸气导致封闭空间200中的气体的体积增多，并且因此导致在封闭空间200中出现过压。另一方面，水蒸气的(过半的)冷凝导致体积降低并且因此导致在封闭空间200中出现负压。

因此可查明关于包含在废气123中的水蒸气的冷凝的测量数据111。测量数据111可表明：

·空间200中的空气温度；

·空间200中的相对空气湿度；和/或

·所述空间200的一个或多个冷凝面的温度和/或尺寸。

然后基于测量数据111可查明关于在所述空间200内的压力相对于所述空间200的外部环境的压力的压力信息。尤其是，可查明相对于所述空间200的外部环境，在所述空间200中是存在负压还是过压还是不存在显著的压力差。然后可根据压力数据来适配空气交换率221。例如如果不存在压力差、例如如果所产生的氢气的相应一半的物质量作为气体来产生并且另一半物质量作为液态冷凝物来产生，则通常发生最小的气体交换或产生相对低的空气交换率221。另一方面，尤其是负压通常导致提高的空气交换率221。

设备110可设置为用于借助于地理数据(尤其是根据车辆100的当前位置以及基于数字的地图信息)来查明车辆100的相应停放地点的体积V和/或空气交换率221。在此，数字的地图信息可表明具有降低的空气交换率221的空间200的体积和/或空气交换率221以及位置。

图3示出用于提高燃料电池堆101的运行的安全性和/或可靠性的示例性方法300的流程图。方法300可通过燃料电池堆101的控制设备110来实施。

方法300包括在一序列的时间点上查明301关于燃料电池堆101的运行的测量数据111。可例如周期性地(例如以0.1Hz、1Hz或以上的频率)检测和分析评价测量数据111。

此外，方法300包括：基于在所述序列的时间点上的测量数据111来确定302燃料电池堆101的环境中的空气的氧气含量已改变、尤其是已降低。尤其是，由测量数据111的时间曲线可看出氧气含量的改变。可选地，由测量数据111的时间曲线以及基于针对燃料电池堆101的运行的特征数据可查明针对氧气含量的估算值。在此，特征数据可针对测量参量(例如空气122的质量流量、燃料121的质量流量、所产生的电功率、废气123中未反应的燃料121的量等)的不同的值组合表明氧气含量的不同的估算值。特征数据可提前通过试验查明。

优选地，对于特征数据组合地处理不同的测量值，以便实现对于氧气含量的改进的估算。在此，基于部分非线性的参数关系可使用递归的预估-修正结构、如卡尔曼滤波器、尤其是EKF(扩展卡尔曼滤波器)和UKF(无损卡尔曼滤波器)。也可使用其他近似方法(高斯和滤波器、投影滤波器和正交滤波器)或模拟(如顺序蒙特卡洛方法)，以便提供如下特征数据，所述特征数据针对测量参量的不同的值组合表明氧气含量的不同的估算值。

此外，方法300包括反应于确定302了氧气含量已改变而采取303用于提高燃料电池堆101的运行的安全性和/或可靠性的措施。尤其是可输出警告提示和/或适配燃料电池堆101的氧气消耗。

在本文件中所描述的方面实现了，以高效且精确的方式查明燃料电池堆101的环境的氧气含量。由此，能够以可靠的方式识别出氧气变稀薄，并且采取或执行适合的措施以用于提高燃料电池堆101的运行的安全性、效率和/或可靠性。

本发明不局限于所示出的实施例。尤其是要注意，说明书和附图仅应说明所提出的方法、设备和系统的原理。