诊断系统、带有诊断系统的燃料电池系统和用于确定阴极气体污物的方法与流程

本发明涉及一种用于确定具有燃料电池堆组(或称为燃料电池堆栈，即brennstoffzellenstapel)的燃料电池系统的阴极气体品质的诊断系统、一种燃料电池系统和一种用于确定燃料电池系统中的阴极气体污物的方法。

背景技术：

当阴极气体有害物质、即尤其是空气有害物质到达催化器上时，燃料电池显示出功率损失。在此有问题的是，阴极气体品质不总是已知的并且不仅在位置上而且在时间上变化。同时，燃料电池的功率损失也可以归因于其它的因素，也就是说阴极气体污染物不总是功率损失的原因。在误诊断的情况下，在燃料电池处执行不必要的修复措施。然而所述修复措施可损伤膜片电极单元(mea)。此外，燃料电池的过滤器和催化器必须设计得更大，以便平衡功率损失。

在de102014224611a中描述用于调整燃料电池系统的氧气分压力的方法和装置。该燃料电池系统具有污物传感器，该污物传感器测量所吸入的空气的污染负载。这通过流动率(或称为流率，即strömungsrate)和空气中氧气浓度的测量来发生。在此不利的是，仅仅在燃料电池系统中的一个位置处可以确定空气污物并且既不可以更详细地检查空气污染物对燃料电池的影响也不可以更详细地检查空气污染物本身。

技术实现要素：

因此，本发明的任务是提供一种诊断系统、一种燃料电池系统和一种用于确定燃料电池系统中的阴极气体污物的方法，其允许改善地推断阴极气体品质对燃料电池的影响。

涉及该诊断系统的任务通过权利要求1的特征存在来解决。尤其通过构造成用于确定具有燃料电池堆组的燃料电池系统的阴极气体品质的诊断系统来解决。该诊断系统包括诊断燃料电池，该诊断燃料电池可以在阴极侧与燃料电池系统的阴极供应线路连接并且在阳极侧与燃料电池系统的阳极供应线路连接。此外，设置有探测单元，该探测单元设计成用于探测以经由阴极供应线路提供的阴极气体和以经由阳极供应线路提供的阳极气体来运行的诊断燃料电池的测量值或时间上的测量值走向(或称为测量值曲线，即messwertverlauf)。

通过根据本发明的诊断系统可以示例性地借助于诊断燃料电池检查阴极气体品质的下降对于燃料电池系统的影响。由此所收集的认知可以直接传递到燃料电池堆组上。不用为了检查而拆卸和再安装燃料电池堆组。

就此而言有利的是，诊断燃料电池具有和燃料电池堆组的燃料电池一样的构造。诊断燃料电池的各个层优选也由和燃料电池堆组的燃料电池的相应的层一样的材料形成。这使得能够经由诊断燃料电池更好地推断阴极气体污染物对燃料电池堆组的影响。

阴极气体优选是氧气或带有氧气的混合物(例如空气)，而阳极气体优选是氢气或氢气混合物。

在本发明的范围内，被证明为有利的是，设置有比较器单元，该比较器单元设计成用于检测在由探测单元所探测的测量值或所探测的测量值走向与存储在存储器中的理论值或存储在存储器中的理论值走向(或称为理论值曲线，即sollwertverlauf)之间的偏差。借助于比较器单元可以直接(即也就是说在没有车间访问的情况下)确定阴极气体品质，并且及时导入针对措施，以便改善阴极气体品质。

为了探测测量值或所探测的测量值走向有利的是，探测单元包括电压表(或称为电压测量仪，即spannungsmesser)和/或电流表(或称为电流测量仪，即strommesser)，并且所探测的测量值或所探测的测量值走向是在诊断燃料电池中产生的电压或电压走向和/或在诊断燃料电池中产生的电流或电流走向。在此，本发明利用以下效应：由于阴极气体品质的下降而来的功率损失引起通过诊断燃料电池产生的电流或电压的减小。

为了也可以分析性地检查阴极气体品质，优选的是，设置有电压源，用于将周期性提升和降低的电压施加到诊断燃料电池的电极上。在此在特别优选的实施方式中，电压源设计成用于将多相制线电压(或称为三角电压，即dreiecksspannung)施加到电极上。以这种方式可以在电极中的一个电极处、尤其是在阴极处执行循环伏安法(cyclovoltametrische)的测量。由此可以分析性地检查阴极气体、即空气，以便可以确定污染物本身的物质。例如以这种方式可行的是，可以推断阴极气体以二氧化硫(so2)所造成的污染。

涉及该燃料电池系统的任务通过权利要求5的特征存在来解决。即尤其通过带有燃料电池堆组并带有与阴极供应线路和阳极供应线路连接的诊断系统的燃料电池系统来解决。通过诊断系统可以借助于诊断燃料电池推断阴极气体污染物对整个燃料电池堆组的可能的影响。可以立刻安排必要的针对措施，以便克服mea的损伤和功率损失。由此也可以使mea的催化器和过滤器设计得较紧凑或较小。

在本发明的范围内设置成，诊断系统与燃料电池堆组串联或并联。在串联布置的情况下，正好一样的阳极和阴极气体流动通过诊断燃料电池，由所述阳极和阴极气体也加载燃料电池堆组。在并联布置的情况下，诊断燃料电池基本上由和燃料电池堆组一样的气体流动通过，但是不影响通过燃料电池堆组的通流。

涉及方法的任务通过带有权利要求6的特征存在的方法来解决。为了确定燃料电池系统中的阴极气体污物实现如下步骤：

a.将具有诊断燃料电池的诊断系统与燃料电池系统的阴极供应线路和阳极供应线路连接，

b.以经由阴极供应线路提供的阴极气体和以经由阳极供应线路提供的阳极气体来运行诊断系统的诊断燃料电池，

c.借助于探测单元探测诊断燃料电池的测量值或时间上的测量值走向，

d.将所探测的测量值或所探测的测量值走向与预设的理论值或预设的理论值走向进行比较，以及

e.取决于在所探测的测量值或所探测的测量值走向与理论值或理论值走向之间确定的偏差来输出偏差值或偏差信号。

在此，诊断燃料电池与阳极供应线路和阴极供应线路的连接可以随着燃料电池系统的生产就已经实现。

在备选的实施方式中，诊断系统形成为外部装置，该外部装置例如在车间访问(werkstattbesuch)的情况下经由阀或调节环节与阳极和阴极供应线路连接。

在另外的备选的实施方式中可行的是，诊断燃料电池与阳极供应线路和阴极供应线路固定连接，并且阳极供应线路和阴极供应线路分别具有调节环节用于接通诊断系统。这意味着，诊断系统可以在需要时激活和取消激活，以便执行阴极气体品质的检验。

通过诊断燃料电池以燃料电池系统的阴极气体所实现的运行可以回推在燃料电池堆组附近的阴极气体品质或阴极气体污染物。

在优选的实施方式中，诊断燃料电池的时间上的测量值走向得到确定，其中，在较成本适宜的实施方式中足够的是，确定单个的测量值。

在此，理论值或还有理论值走向储存在探测单元的存储器中。在优选的实施方式中，当测量值不同于理论值或测量值走向不同于理论值走向时，输出声音的或视觉的偏差信号(例如通过亮起报警灯)。

在备选的实施方式中，测量值或所探测的测量值走向储存在存储器中，以便在后期的时间点、例如在车间访问的情况下被查询到。

为了分析性地检查阴极气体，该方法尤其包括如下步骤：

-将电压施加到诊断燃料电池的电极上，以及

-借助于探测单元探测取决于所施加的电压的响应电流。

就此而言尤其有利的是，周期性提升和降低的电压被施加到诊断燃料电池的电极、尤其是阴极上。在特别优选的实施方式中，多相制线电压被施加到诊断燃料电池的电极上。由此可以在电极处、尤其是在阴极处执行循环伏安法的测量。例如这实现了：指示在阴极气体中的二氧化硫(so2)。

在备选的实施方式中，也可以根据阻抗测量执行在阴极气体处的分析性的测量。

在特别优选的实施方式中设置成，在偏差值或偏差信号输出的情况下在燃料电池系统中导入措施，用于减少阴极气体污染物。

就此而言可行的是，在输出偏差值或偏差信号时提高至少在燃料电池系统的燃料电池堆组中的温度。这优选通过如下方式来实现：比较器单元将信号转递到燃料电池系统的控制器处并且控制器取决于所测量的有害物质含量来提高所述温度。通过温度提高可以将有害物质从阴极气体中冲掉(或称为洗出，即ausgespült)。

备选地或补充地，被证明为有意义的是，使燃料电池系统中的阴极气体的湿度在偏差值或偏差信号输出的情况下提高。在此，阴极气体的湿气含量优选同样经由燃料电池系统的控制器取决于污物来调节。

优选地，在比较器单元与控制器之间设置无线或线连的连接，用于调节在燃料电池堆组中和/或在阴极气体中的湿气含量和/或温度。

附图说明

示例性地按照两个在图中示出的实施例来阐释本发明；其中：

图1示出根据本发明的诊断系统的示意性的图示，

图2示出根据本发明的燃料电池系统的第一实施方式，

图3示出根据本发明的燃料电池系统的第二实施方式，

图4示出诊断系统的测量走向，

图5a示出施加到阴极上的多相制线电压的图表，以及

图5b示出取决于时间的对所施加的多相制线电压的电流响应。

附图标记列表

1诊断系统

2诊断燃料电池

3诊断阴极

4诊断阳极

5诊断膜片

6阴极侧(阴极空间进入部)

7阴极供应线路

8阳极侧(阳极空间进入部)

9阳极供应线路

10阳极排气线路

11阴极供应线路

12壳体

13控制和评价单元

14探测单元

15比较器单元

16存储器

17发送器

18电压源

19燃料电池系统

20燃料电池堆组

21润湿器

22压缩机

23马达

24干式供应线路

25润湿器引出线路

26调节环节

27控制器。

具体实施方式

图1示出根据本发明的用于确定阴极气体品质、尤其是空气品质的诊断系统1。诊断系统1具有诊断燃料电池2，该诊断燃料电池带有诊断阴极3、诊断阳极4和诊断膜片5。在阴极侧6，诊断燃料电池2与用于提供阴极气体(在本实施例中为空气)的阴极供应线路7连接。在阳极进入侧8，诊断燃料电池2与用于供应阳极气体(在这个实施例中为氢气)的阳极供应线路9连接。此外，诊断燃料电池2具有阳极排气线路10和阴极排气线路11。

诊断系统1优选布置在壳体12中。此外，诊断燃料电池2线连地与控制和评价单元13连接。控制和评价单元13包括探测单元14。所述探测单元设计成用于探测以经由阴极供应线路7提供的阴极气体和以经由阳极供应线路9提供的阳极气体来运行的诊断燃料电池2的测量值或测量值走向。

在本实施例中，探测单元14包括电压表，从而所探测的测量值或所探测的测量值走向是在诊断燃料电池2中产生的电压或在诊断燃料电池2中产生的电压走向。在备选的实施方式中，探测单元14形成为电流表，用于探测电流或电流走向。在另外的备选的实施方式中，也可行的是，探测单元包括电压表和电流表。

此外，控制和评价单元13具有比较器单元15，该比较器单元设计成用于检测在由探测单元14所探测的测量值或所探测的测量值走向与存储在存储器16中理论值或存储在存储器16中的理论值走向之间的偏差。此外，在存储器16中可以存放测量值或测量值走向，以便可以在后期的时间点取用所述测量值或测量值走向。

此外，控制和评价单元13配属有发送器17，用于将测量值和测量值走向无线地或线连地传递到外部的在图1中未示出的控制器处。

为了分析性地检查阴极气体，诊断燃料电池2与电压源18连接，其中，电压源18如此设计：将周期性提升和降低的电压、优选多相制线电压施加到阴极上。

图2示出根据本发明的燃料电池系统19的第一实施方式，该燃料电池系统带有燃料电池堆组20并且带有用于供应阴极气体的阴极供应线路7和用于供应阳极气体的阳极供应线路9。此外，燃料电池系统19包括润湿器21和压缩机22。经由借助于马达23驱动的压缩机22，阴极气体经由干式供应线路24导引至润湿器21。阴极供应线路7将润湿器21与燃料电池堆组20连接，并且将经润湿的阴极气体、例如空气导引至燃料电池堆组20的阴极。此外，水和没有反应的阴极气体从燃料电池堆组20处经由阴极排气线路11导引至润湿器21。润湿器21包括多个水蒸气可渗透的膜片，所述膜片从阴极气体中抽走湿气并且将其供应给干燥的阴极气体以用于润湿。最后，润湿器21还具有润湿器引出线路25。

此外，燃料电池堆组20在阳极侧(8)与用于供应阳极气体的阳极供应线路9和与用于运走没有反应的阳极气体的阳极排气线路10连接。也可以使用阳极再循环。

在根据本发明的燃料电池系统19的第一实施方式中，诊断系统1与燃料电池堆组20并联。阴极供应线路7经由构造为阀的调节环节26与诊断系统1的阴极供应线路7连接。此外，燃料电池堆组20的阳极供应线路9与诊断系统1的阳极供应线路9经由另外的形成为阀的调节环节26连接。在本实施例中，不仅燃料电池堆组20而且诊断燃料电池2通过相同的阴极气体和相同的阳极气体来馈给。

借助于阳极供应线路9和阴极供应线路7的调节环节26可以在需要时接通诊断系统1。备选地，在诊断系统1与燃料电池堆组20没有固定连接的情况下，所述诊断系统可以经由调节环节26与燃料电池堆组20连接。

图3示出根据本发明的燃料电池系统1的第二实施方式，其中，诊断系统1与燃料电池堆组20串联地布置。阴极供应线路7从润湿器21引导至诊断燃料电池2，并且从该处引导至燃料电池堆组20的阴极。阳极供应线路9从未示出的氢气箱引导至诊断燃料电池2并且从该处引导至燃料电池堆组20的阳极。诊断系统1的阳极排气线路10和阴极排气线路11在这个实施方式中形成为燃料电池堆组20的阳极供应线路9和阴极供应线路7。在这个实施方式中，燃料电池堆组20和诊断系统1一样同样以相同的阳极气体和阴极气体来馈给。

在此，根据本发明的方法如下进行：首先将诊断燃料电池2与燃料电池系统19的阴极供应线路7和阳极供应线路9连接。由此，诊断燃料电池2以经由阴极供应线路7提供的阴极气体和以经由阳极供应线路9提供的阳极气体来运行。控制和评价单元13的探测单元14探测测量值或时间上的测量值走向。这可以是电压、电压走向、电流或电流走向。在此，测量值或测量值走向储存在控制和评价单元13的存储器16中。比较器单元15将所探测的测量值或所探测的测量值走向与在存储器16中预设的理论值或预设的理论值走向进行比较。

图4示出典型的通过探测单元14所探测的测量值走向。在此，电压取决于时间来描绘。虚线示出理论值走向，而实线示出测量值走向。由于阴极气体的污物，燃料电池堆组及由此还有诊断燃料电池2的功率能力下降。在诊断燃料电池2中产生的电压由此低于期望。这类似地也适用于所测量的电流测量值走向。

在测量值或测量值走向与理论值或理论值走向通过比较器单元15确定偏差的情况下，输出偏差值或声音的或视觉的偏差信号。备选地，当测量值走向具有斜率时，也可以由比较器单元15确定测量值走向与理论值走向的偏差。偏差值或偏差信号的输出可以要么在燃料电池系统19内实现要么在外部例如在车间控制的情况下实现。

为了阴极气体的分析性的检查，电压源18将电压、尤其是多相制线电压施加到诊断阴极3上。探测单元14的电流表探测取决于所施加的电压的响应电流，并且将其存放在存储器16中。比较器单元15将测量值走向与储存在存储器16中的预设的理论值走向进行比较。此处在有偏差的情况下也输出偏差信号或偏差值。

图5a示例性地示出施加到诊断电极上的多相制线电压。图5b示出取决于时间的电流响应，其中，虚线示出理论值走向，并且实线示出测量值走向。在本实施例中，根据偏差并经由这种循环伏安法的测量可以指示阴极气体中二氧化硫的出现。

如果确定测量值/测量值走向与理论值/理论值走向有偏差，那么借助于控制和评价单元13的发送器17将信号无线地传递到燃料电池系统19的控制器27处。控制器27然后在燃料电池系统19内采取措施，以便减少或冲掉阴极气体的污染物。为此，控制器27例如提高至少在燃料电池系统19的燃料电池堆组20中的温度。备选地或补充地，借助于控制器27来提高燃料电池系统19中的阴极气体的湿度。备选地或补充地，控制器27也可以促使：燃料电池系统19在潮湿运行的情况下执行多个阴极电压循环。