防爆燃料电池系统和停止使用燃料电池系统的方法与流程

本发明涉及燃料电池系统，其中避免在燃料电池系统停止期间内形成可爆炸的气体混合物，以及涉及停止使用燃料电池系统的方法，它避免在停止使用后形成可爆炸的气体混合物，从而可以无危险地再次启动燃料电池系统。

背景技术：

燃料电池由氢气和氧气产生电能。氧气一般以空气形式被供应，而氢气自储备容器来供应或也现场生成，例如由甲醇生成。活动式燃料电池系统以及固定式燃料电池系统的最常见型式是自高压罐供应氢气。在高压罐中储存处于达到80兆帕(800巴)压力的氢气。一个或多个高压罐形成一个燃料箱模块。在燃料箱模块出口处，压力借助降压装置被降低至分配压力水平。在中央区内，该压力一般为约0.5-1.2兆帕(5-12巴)。借助另一个降压装置，该压力被降低至燃料电池的工作压力。该工作压力一般高于当前环境压力，一般处于高于环境压力的100千帕(1巴)。

燃料电池被联合成一个或多个燃料电池堆叠并且与燃料电池运行所不可或缺的许多外围部件(如用于输入新鲜工作气体和冷水的管线、用于排出和/或再循环用后工作气体和冷水的管线、用于工作介质的处理装置、传感器、阀、调节器、开关、加热器等)共同形成一个燃料电池模块。一部分所述部件配备有护盖、外壳或封罩，并且所有部件或至少大部分部件尽量紧凑地组装并且与燃料电池一起被安装在一个外壳中。虽然该外壳不一定是气密的，但在外壳内部与环境之间的气体交换还是至少明显受限。

供应管线将燃料箱模块连接至燃料电池模块，即连接至被安装在外壳中的燃料电池和所需的外围部件。在燃料箱模块与燃料电池模块之间的供应管线通常处于0.5-1.2兆帕(5-12巴)的氢气压力。根据燃料箱模块和燃料电池模块的相对布置，供应管线有可能具有可观的长度。

气态氢有高扩散趋势。经过较长时间，它也扩散穿过一般被视为气密的材料。在燃料电池系统内的氢气管线中存在附加问题，即，氢气不是只流入焊接的管路中，而是氢气流动路径也具有可拆卸连接机构如螺纹连接机构，例如在燃料箱模块和供应管线之间的以及在供应管线和燃料电池模块之间的接口处以及在传感器和致动器如阀或调节器被整合到氢气管线中的所有位置处。在这里，氢气泄漏速率很高，尤其当氢气处于比周围气氛更高的压力时。

因此，总是需要考虑到从燃料电池系统的管线中泄漏出或扩散出一定量的气态氢气至周围气氛即周围空气中。这意味着并非不显著的潜在危险，因为氢气与空气、确切说与空气所含氧气一起形成可点燃的混合物(爆鸣气)。

在室温下，氢气和氧气以极低的速度反应，这是因为氢分子因其很高的解离能而相对反应惰性。但如果在一些位置出现升高温度，则可能在这些位置启动反应。通过此时所释放的热，激发加热位置附近的分子发生反应，由此产生进一步的热，诸如此类。此后，从被加热位置起，链式反应伴随强烈升温以爆炸形式穿过氢气与氧气或空气的全部混合物。但爆炸仅出现在存在氢气和氧气的一定混合比(由上下爆炸极限来描述)之时。

爆炸极限与温度和压力有关。在空气混含氢气的情况下，在约4至75体积％氢气的氢气浓度下(在室温和大气压下)存在可爆炸的混合物。因为燃料电池系统结构紧凑(其被安装到外壳和狭窄空间如机动车中)并由此妨碍了氢气快速逸出，故可能在氢气泄漏出管线时容易超出下爆炸极限。于是，燃料电池系统的电气装置本身就会引起气体混合物点燃，进而引发爆炸。

为了尽量降低该危险，在现有技术的燃料电池系统情况下采取一系列安全预防措施，主要为初级和次级防爆措施。初级防爆措施是指如下措施，其防止可爆炸气氛的形成或者至少降低其形成的危险。次级防爆措施是指如下措施，其防止可爆炸气氛点燃，即避免有效点火源。

对于燃料箱模块，一般可能将其安装在通风良好的外部区域。一旦不再需要氢气用于驱动燃料电池系统，则可以通过直接在氢气储备容器的出口处的关断阀来防止氢气流出。

在燃料电池模块及其氢气供应管线情况下，人们过去寄望于由初级和次级防爆措施构成的组合。在燃料电池运行期间，例如在机动车行驶期间，通过氢气传感器监测安装有燃料电池模块的空间和/或整个机动车内室。如果在任一位置发现出现氢气，则马上启动主动通风以去除氢气。

初级防爆手段在系统关断时失效。许多燃料电池系统仅在比较短的期间内使用，而他们在更长的时间里是停用的。例如相比于运行，燃料电池驱动的机动车大多明显更长时间处于非运行中。在未运行期间，氢气供应一般借助紧接在气体储备箱之后的关断阀被截断，但余留在燃料箱模块与燃料电池之间管线内的氢气还是能从管线中扩散出，并且尤其是通过管线之间的并非完全密封的连接机构逸出，汇集在燃料电池模块的和氢气供应管线的被封罩的区域中。依据管线长度和存在于管线内的压力，相应的氢气量可能是可观的并可能导致与环境空气形成可爆炸的混合物。当再次接通燃料电池系统时，于是通过因电气件激活而出现的点火电火花而可能出现爆炸。因此也必须采取次级防爆措施。在传统的燃料电池系统中就包含将燃料电池模块的电流回路尽可能按本安方式设计。对于传感器和致动器上的电接线端和测量控制回路，考虑本安设计。替代地或附加地，可能的点火源(传感器、通电阀)被封罩起来，即采用防爆部件。

这些措施是昂贵的，导致更复杂的结构和更大的系统重量，且还没有提供百分之百的防爆保护。无法通过这种方式防止系统外点火源引发的爆炸。

技术实现要素：

因此，本发明的任务是提供一种燃料电池系统以及一种用于停止使用和再次投入使用燃料电池系统的方法，其中，现有技术的缺点被消除或至少被减少。该系统应该是结构简单的并且尤其系统在长期停用后再次启动(但也在停止期间)时的氢气爆炸危险得以最小化。此时，最好应该可以完全或部分地放弃使用昂贵的防爆部件。

该任务通过具有如独立权利要求1所述的特征的燃料电池系统、具有如独立权利要求6所述的特征的燃料箱模块、具有如独立权利要求11所述的特征的用于停止使用本发明的燃料电池系统的方法、具有如独立权利要求13所述的特征的用于再次投入使用本发明的燃料电池系统的方法、具有如独立权利要求14所述的特征的将两位三通泄压阀用于本发明燃料电池系统的氢气管线的氢气泄压的用途、具有如独立权利要求16所述的特征的耗电负载如机动车来完成。在各自的从属权利要求中说明了本发明的实施方式。

本发明的燃料电池系统基本上由两个结构单元组成，它们以下被称为燃料箱模块和燃料电池模块。燃料箱模块包括一个或多个高压容器(燃料箱)，氢气在高达80兆帕的压力下储存在其中。每个燃料箱优选具备一个主关断阀并且被连接至氢气管线，氢气经由该氢气管线被输送至燃料电池模块。在该氢气管线中有降压装置，其中，在有多个燃料箱情况下，对于每个燃料箱可设置一个自身的降压装置，或者多个燃料箱可以共有同一个降压装置。在氢气离开燃料箱模块之前，降压装置将氢气压力降低至一般为0.3至3.0兆帕、最好是0.5至1.2兆帕的分配压力水平。

氢气从燃料箱模块进入氢气供应管线，该氢气供应管线将燃料箱模块连接至燃料电池模块。燃料电池模块包括燃料电池模块组件，即一个或多个燃料电池堆叠。燃料电池模块组件运行所需要的机构(例如用于输入和排出新或旧的燃料电池介质的管线系统、传感器、阀、调节器、脱水机、泵、冷水储备容器、用于输入阴极工作气体的机构等)也归于燃料电池模块。

燃料电池模块也包括降压装置，其将从氢气供应管线进入燃料电池模块的氢气输入管线的氢气的压力降低至燃料电池模块组件的工作压力。工作压力一般略高于环境压力，最好是在约100至200千帕之间。

因此，燃料电池系统有三个压力区，即在燃料箱模块的降压装置上游的高压区、在燃料箱模块的降压装置与燃料电池模块的降压装置之间的中压区(0.3至3.0兆帕)以及在燃料电池模块的降压装置下游的工作压力区(100至200千帕)。高压区的压力高于中压区的压力，一般高于30兆帕且可能高达80兆帕。

燃料电池模块和燃料箱模块最好是封闭的结构单元，它们能相互空间分开地安装。在燃料电池驱动的机动车情况下例如有意义的是，将该燃料箱模块安装在尤其易于接近的且同时防事故损害地被良好保护起来的位置上，而燃料电池模块原则上可以被安装在任何位置上，视空间可供使用而定。连接这两个模块的氢气供应管线的长度要根据模块的安装距离来定。通常，每个模块、还有在模块之间的氢气供应管线配备有护盖或者被装入外壳中。但上述结构形式绝不是强制性的。相反，燃料箱模块的部件和燃料电池模块的部件能组合成唯一的结构单元。这种整体式结构单元也包括具有上述各压力的高压区、中压区和工作压力区。

流入管线的氢气具有高的扩散趋势，氢气压力越高，扩散趋势越高。尤其是在管线相连(如螺纹连接)的所有位置上以及在传感器或致动器被集成到管线中的所有位置上，尤其容易出现氢气泄漏。只要氢气扩散不严重，则这在处于运行中的燃料电池系统情况下一般不危险，因为燃料电池系统可借助氢气传感器被监测并且在增大氢气浓度情况下可马上启动合适的措施如系统强制通风，其降低燃料电池系统区域内的氢气浓度。

在燃料电池系统关断情况下则有着不一样的行为。若燃料电池系统未使用，则安全装置也不起效，即氢气漏出始终未被察觉，将不采取用于将其快速清除的措施。如果燃料电池系统长期不用，则在罩盖下方和外壳中或者在通风差的安装空间里可能容易聚集足够多的氢气，超出下爆炸极限。在这里，压力高于环境压力的所有区域尤其受到威胁，尤其是燃料电池系统的中压区。高压区即燃料箱模块虽然也受到威胁，但它具有较短的管线系统并且此外大多可布置成得到自动通风，例如在机动车如公共汽车的车顶上。

如果燃料电池系统在长期停用后又被启动，就像例如当机动车在长期停放后又被起动时常做的那样，燃料电池系统的电气件如传感器和通电阀的点火功能可能使氢气/空气混合物爆炸。根据本发明，避免了出现这种可爆炸的混合物，做法是在燃料电池系统关掉时或紧随其后将处于增大氢气压力下的管线即中压区管线或者至少所述管线的绝大部分泄压。当管线内的氢气压力基本上等于环境压力或仅略高于环境压力时，氢气扩散趋势最低。为了实现所述泄压，在本发明的燃料电池系统中，在中压区内设置两位三通阀，其允许使中压区的至少一部分且最好是整个中压区达到环境压力或仅略高的压力。两位三通阀处于从燃料箱通至燃料电池模块组件的管线中，其中第三管接口被连接至对外通入大气的管线。在两位三通阀的第一通断位置中，在燃料箱与燃料电池模块组件之间的流动路径是开通的，而在两位三通阀的第二通断位置上，在燃料电池模块组件与周围大气之间的流动路径是开通的。该两位三通阀优选是电磁阀。第二通断位置是断电状态，即此时系统应该被切换到安全状态的通断位置。

在燃料电池系统运行期间，该两位三通阀位于第一通断位置。当燃料电池系统关掉时，主关断阀(如果有)且最好还有燃料电池模块中的关断阀被关闭，紧接其后即延迟尽量短地将泄放阀(两位三通阀)切换到第二通断位置，使得位于中压区内的氢气能逸出到周围大气中。所述阀的关断和两位三通阀的切换可以通过预定过程(例如关掉由燃料电池系统供电的耗电负载或者发现紧急情况如超出燃料电池系统的允许最大压力)来引发。

两位三通阀应该尽量靠近燃料箱模块的降压装置设置，这是因为只能将位于两位三通阀下游的管线部分泄压。因此，该两位三通阀最好被整合到该燃料箱模块中并紧接设置在降压装置后面。但或者该两位三通阀也可以安装在燃料箱模块的下游，最好在氢气供应管线的上游末端。

所述两位三通阀应该被设计成它仅允许氢气缓慢逸出。过于快速的逸出可能在泄压管线出口处导致形成可爆炸的氢气/空气混合物。因此，具有小开口横截面的阀是优选的。最大允许泄压速度尤其取决于在何等环境中进行泄压。如果燃料电池系统位于能够可靠快速换气的使用地点，则泄压可以在几秒内进行，而在例如用在机动车中的应用场合下，泄压应该缓慢进行，例如经过几分钟。机动车通常停放在换气少的环境例如车库中。至于怎样的两位三通阀最适用于某个燃料电池系统或某个应用场合，也可通过少许几次尝试来确定。

或者，在该泄压管线内可以设置一个节流位点，其开口横截面的尺寸被设计成总是只有少量的氢气能逸出，以致在泄压管线的出口处未达到空气所含氢气的下爆炸极限。于是，作为两位三通阀可以采用“保证流经氢气供应管线的所需流通量的、适用于氢气的”各种阀。如下进行安装，即在断电状态中存在第二通断位置。

两位三通阀可以在燃料电池系统被关掉的整个期间留在其第二通断位置上。或者，它也可以借助延迟电路在预定时间之后又被切换至第一通断位置。尤其当该阀留在其第二通断位置时，优选在该泄压管线中设有止回阀，其防止空气和湿气进入燃料电池系统的管线系统。该止回阀应该具备微弱开启压力，最好是仅略微高于周围环境压力的开启压力。例如高达燃料电池工作压力区的、最好高达10千帕(100毫巴)的开启压力是合适的。

当燃料电池系统又启动时，燃料箱模块(如果有)中的主关断阀首先被打开，接着该两位三通阀(如果其还是在第二通断位置上)被切换到第一通断位置，接着燃料电池模块内的关断阀(如果原先是关闭的)被打开。此切换过程例如可以通过接通耗电负载而被引发。或者，当然原则上也可以人工操作所述两位三通阀以及其余的阀。

附图说明

以下结合附图来详细描述本发明。对此要指出，附图不是按照比例的并且仅示出对于理解本发明而言重要的特征。显然可以有其它特征以符合有效的安全规定并保证燃料电池系统完美无瑕地发挥功能。但这些特征是技术人员所已知的，其中：

图1示出根据本发明的燃料电池系统的强烈简化的示意图，以及

图2示出本发明所用的两位三通阀的多个通断位置。

具体实施方式

图1示意性示出根据本发明的燃料电池系统1的一个实施方式。燃料电池系统1包括燃料箱模块2和燃料电池模块3，其中，氢气可以从燃料箱模块2经由氢气供应管线4流入燃料电池模块3。

在所示实施方式中，燃料箱模块2包括氢气高压储备容器(燃料箱)20、用于燃料箱20的主关断阀23和降压装置24。氢气可以通过氢气管线21从燃料箱20流向降压装置24。在这里，氢气压力被降低至最好0.5mpa至1.2mpa的压力并通过氢气管线22被继续传输。氢气流过两位三通阀25并进入氢气供应管线4，氢气供应管线在管接口部位5连接至氢气管线22。氢气供应管线4的长度取决于燃料箱模块2与燃料电池模块3之间的距离，这由点划线表示。氢气供应管线4在管接口部位6连接至燃料电池模块3。氢气从这里流过关断阀33位于其中的氢气输入管线31地到达降压装置34，降压装置将氢气压力降低至在燃料电池模块组件30内的燃料电池的工作压力。最后，氢气从降压装置34流过氢气输入管线32地进入燃料电池模块组件30。

阳极废气经由氧气废气管线35离开燃料电池模块组件30并借助阳极废气再循环泵39经由阳极废气再循环管线38被循环到氢气输入管线32中。一部分阳极废气定期经由阳极废气排气管线36被排放入周围大气中。通常，管线36借助关断阀37被关闭。

阴极工作气体经由空气输入管线10进入燃料电池模块组件30并又经由阴极废气管线11离开它。冷水经由冷水输入管线12进入燃料电池模块组件30并经由冷水排放管线13离开它。

燃料箱模块2在所示实施方式中处于外壳28中，燃料电池模块3被装入一个外壳14中。盖7保护氢气供应管线4。

在燃料电池系统1的工作期间，阀23和33是打开的，且两位三通阀25处于其第一通断位置，第一通断位置允许氢气从燃料箱20流入燃料电池模块组件30。在外壳4、14之内的氢气传感器(未示出)监测氢气是否扩散出或泄露出管线系统。如果发现氢气溢出，则例如通过合适的风机(未示出)马上启动强制排风。

当燃料电池系统1被关掉时，安全系统如氢气探测器和用于快速换气的风机停止运行。为了在此情况下还保证燃料电池系统1的安全性，根据本发明，阀23和33被关闭且随后将两位三通阀25切换到第二通断位置，即断电接通。在第二通断位置中，流过氢气管线22的流动路径被截断，取而代之，从氢气供应管线4到氢气泄压管线26的流动路径被开通。该系统也在因任何缘故而须执行紧急关停时被切换到这个“安全状态”，例如当在燃料电池模块组件的或管线系统的任何区域中传感器发现过高压力或过高温度时。止回阀27位于氢气泄压管线26内，该止回阀在最高等于或低于燃料电池模块组件30的工作压力的开启压力下、最好在高于大气压不到10毫巴的情况下开启。通过这种方式，位于在两位三通阀25与关断阀33之间、或者在两位三通阀25与降压装置34之间(在关断阀33打开时)的中压区内的氢气泄入周围环境，直到在此区域内的氢气压力低于止回阀27的开启压力。节流位点9保证氢气缓慢逸出。或者，这也可通过两位三通阀25的相应小的开口横截面来达成。

如图1所示，在降压装置24与两位三通阀25之间的管线22未被泄压。因此有意义的是，两位三通阀25被整合到燃料箱模块2中并且紧接安装在降压装置24后面。但或者也可行的是，两位三通阀25设置在燃料箱模块2之外，即设置在氢气供应管线4中。此实施方式通过燃料箱模块2的用虚线所示的外壳29来表示。

当再次启动燃料电池系统1时，阀23被打开并且两位三通阀25又被切换到第一通断位置。然后阀33被打开，如果其原先是关闭的。阀的切换可以人工进行或自动进行。优选采用电磁阀。

图2示出两位三通阀25的多个通断位置。第一通断位置容许氢气从氢气管线22流入氢气供应管线4，第二通断位置容许氢气从氢气供应管线4流入氢气泄压管线26并从那里流入周围大气。第二通断位置是电磁阀25的断电(安全)状态。两位三通阀25的开口横截面被选择成在第一通断位置中总是能有足够的氢气流至燃料电池模块组件30，并且在第二通断位置中总是只有如此多的氢气能逸出至周围大气，即通过自然空气交换来避免出现可燃的氢气/空气混合物。在开口横截面较大时，在两位三通阀25的下游可以在氢气泄压管线26内设置具有相应小开口横截面的节流位点9。