用于给至少一个燃料电池供给燃料的方法和机动车与流程

这里公开的技术涉及一种用于给机动车的燃料电池系统的至少一个燃料电池供给燃料的方法。此外，这里公开的技术涉及一种具有燃料电池系统的机动车。

背景技术：

燃料电池车(英语为：fuelcellelectricalvehicles)本身是已知的。在该机动车的常规运行中，最小质量流量的燃料是必需的，以便燃料电池系统能稳定地运行。如果不再提供该最小质量流量，则燃料电池不能按规定运行。

技术实现要素：

这里公开的技术的一个优选目的是减少或消除在先已知的解决方案的至少一个缺点。尤其是，这里公开的技术的一个目的是在使用机动车的阶段期间或不使用机动车的阶段期间这样提供燃料质量流量，使得不妨碍燃料电池系统。进一步的优选的目的可以从这里公开的技术的有利的效应得出。这个(这些)目的通过独立权利要求的技术方案实现。从属权利要求构成优选的实施方案。

这里公开的技术涉及一种用于给机动车、尤其是这里公开的技动车的燃料电池系统、尤其是这里公开的燃料电池系统的至少一个燃料电池供给燃料的方法。

这里公开的方法包括步骤：

——确定或预测指示来自机动车压力容器系统的实际的和/或可能的或者说潜在的燃料取出质量流量的指示值。

供给燃料电池系统的所述至少一个燃料电池可以适宜地在考虑所确定的或预测的指示值和下文公开的边界值(例如不使用边界值、使用边界值)的情况下进行。

这里公开的方法可以包括步骤：

——当指示值等于(下)边界值或低于该(下)边界值时，闭合至少一个储箱截止阀，和/或

——如果所确定的和/或预测的指示值等于边界值或低于该边界值，则输出信息。

例如，指示值可以直接与燃料取出质量流量相关。燃料取出质量流量是压力容器系统提供给阳极输入管路或燃料电池堆的质量流量。如果使用多个压力容器，则燃料取出质量流量适宜地是构成压力容器系统的所述多个压力容器可最终提供给燃料电池堆的最大可提供的质量流量。

燃料取出质量流量例如可以由压力容器内部压力和燃料电池堆上的压力之间的压力差结合温度确定。同样可设想，以不同方式确定燃料取出质量流量。例如可想到，确定(例如测量)在取出期间燃料的速度和密度。由这两个物理参量的乘积便得到燃料取出质量流量。替代地或附加地，燃料电池在燃料电池系统运行期间提供的燃料取出质量流量可由燃料电池的电功率确定。

为了实施这里公开的方法，通常足够的是，仅仅确定指示来自机动车压力容器系统的实际的和/或可能的或者说潜在的燃料取出质量流量的指示值。例如，在燃料电池堆上的压力可被看作是恒定的并且在先已知的。近似地，可以为燃料电池系统确定用于压力容器内部压力的边界值，在该边界值时燃料电池系统还能以在该压力容器内部压力时产生的燃料取出质量流量稳定地运行。在这里，还可以一起考虑压力容器内的温度，由此改善了精度。替代地，也可适应于压力容器内的密度和压力容器内的温度。

在此，边界值这样选择，使得在边界值之上压力容器系统可以为燃料电池堆提供足够的燃料，用以燃料电池系统的稳定运行，而不对燃料电池系统引起妨碍和尤其是不可逆的损害。

这里公开的方法还可以包括如下步骤，根据该步骤，当指示值等于下边界值或者低于该下边界值时，使燃料电池系统关机。

如果对于燃料电池系统稳定运行必需的最小质量流量不再能由压力容器系统的所述至少一个压力容器提供，则使燃料电池系统关机，其中，按照这里公开的技术闭合储箱截止阀。首先可以使燃料电池系统关机并且然后闭合储箱截止阀。同样也可以在使燃料电池系统关机期间闭合储箱截止阀。用于关闭的燃料消耗通常是已知的。在此，在可能妨碍/损害燃料电池系统之前，适宜地关闭燃料电池系统。因此可以降低不可逆损害燃料电池系统的可能性。

如果机动车不运行，例如在较长的停车过程期间，则闭合燃料电池系统的储箱截止阀。在机动车这样的不工作的阶段期间可以规定，应该继续将燃料输入给阳极子系统的燃料电池堆，例如

——以便给燃料电池堆的阳极腔输入附加的燃料；和/或

——以便借助燃料从系统中冲扫湿气(空气调节)；

和/或

——通过燃料电池系统的运行使系统温度保持在一定的水平；和/或

——至少部分地给高压蓄存器充电；和/或

——为即将的行驶对乘客内室进行空气调节。

为了提供燃料，必需的可以是，在不使用机动车期间也必须打开储箱截止阀。发明人已经认识到，这里公开的用于可靠地关停燃料电池系统的方法或许可能在机动车不工作的阶段期间妨碍燃料的提供：如果现在之前提到的边界值被实施用于在使用机动车期间闭合所述至少一个储箱截止阀，则可能出现如下情况：在不使用机动车的阶段期间所述至少一个压力容器不能为燃料电池系统提供附加的燃料。当所确定的或者所预测的指示值小于燃料取出质量流量的边界值时，便是这种情况。然而如果所述至少一个压力容器不能为阳极子系统输入附加的燃料或不能输入足够的燃料，则在不使用机动车的阶段期间或在紧接着启动机动车时由于缺少燃料或许可能损害燃料电池堆。例如，阳极可能被不足地加压燃料，使得氧气进入不了或者阳极可能被不足地输入燃料，以便在冷停时从燃料电池系统中冲扫出产物水(冲扫过程)。使用机动车的阶段是机动车的使用者(主动)使用机动车的阶段。例如因而机动车的行驶运行通过使用者或(部分)自主地实现。

不使用机动车的阶段是机动车不工作的阶段。换言之，不使用的阶段例如是(较长的)时间段，在该时间段期间机动车未从使用者主动得到要求燃料电池或机动车运行的指令。例如当机动车已停车时，是这种情况。然而，在不使用机动车的该阶段中，燃料电池系统可自给自足运行，例如以便

——避免或减少由于机动车的一定的消耗燃料的功能对燃料电池系统引起的不可逆的损害(保护功能)；和/或

——通过机动车的空调或舒适性功能准备接下来使用机动车。

在这里公开的技术中，在不使用机动车的阶段期间设定的边界值称为不使用边界值。在这里公开的技术中，用于使用机动车的阶段的边界值称为使用边界值。

按照这里公开的方法，机动车的不使用边界值小于机动车的使用边界值。换言之，因而在不使用机动车的阶段期间，也仍可以以比在使用机动车的阶段期间小的燃料取出质量流量从所述至少一个压力容器进行取出。

因此可以降低压力容器系统在不使用机动车的阶段期间不能为燃料电池系统提供附加燃料的可能性。在一种实施方案中可以这样选择不使用边界值，使得实际上总是可以取出燃料。在另一种实施方案中可以规定，为了保护压力容器在压力容器中总是设定一定的最低压力。

这里公开的方法还包括如下步骤，根据该步骤，预测指示来自机动车压力容器系统的实际的或可能的燃料取出质量流量的指示值。优选地预测用于不使用机动车的阶段的指示值。

预测例如可以在考虑在不使用机动车的阶段期间压力容器系统的所述至少一个压力容器与机动车周围环境之间的热交换的情况下进行。在车辆运行期间，所述至少一个压力容器的温度相对于周围环境变化。如果现在停放机动车，则闭合储箱截止阀。现在在不使用的阶段期间，压力容器的和包含在其中的燃料的温度变化(通常，压力容器和燃料冷却下来)。该温度变化引起压力储箱中的压力变化，这又影响燃料取出质量流量。在此出现的热交换过程和随之而来的压力容器中的燃料状态参量的变化可以通过试验和热力学模型计算来确定。

替代地或附加地，预测可以在考虑在不使用机动车的阶段期间预测的燃料消耗的情况下进行。依据试验可以确定，燃料电池系统在不使用的阶段期间需要多少燃料，以便避免(尤其是不可逆的)损害。例如，在此可以一起考虑预测的环境温度和预测的不使用阶段的持续时间。预测所需的数据(例如持续时间、外部温度等)可以来自于任意的源、例如因特网或日历登记等。

这里公开的方法还可以包括如下步骤，根据该步骤，如果所确定的和/或预测的指示值低于(不使用)边界值，则给车辆使用者和/或第三方输出信息。这样的信息例如可以经由各种类型的无线通讯来传输。如果预测的指示值足够早地传送给使用者或第三方，则能够及早地采取适当的应对措施。例如，使用者可以及时重新填充压力容器。

本方法还可以包括如下步骤，根据该步骤，如果所确定的和/或预测的指示值低于不使用边界值或接近于不使用边界值，则去激活在不使用机动车期间机动车的至少一个消耗燃料的功能。所述在不使用机动车的阶段期间机动车的消耗燃料的功能可以划分成：

——保护功能，所述保护功能避免或减少对燃料电池系统的(尤其是不可逆的)损害(例如用于在冷启动期间避免氢前锋(fronte)的给阳极的持久加压)；和

——其他功能，例如空调或舒适性功能(例如给高压蓄存器充电或对乘客内室预空调)。

特别有利地，去激活所述另外的功能之中的至少一个功能。

换言之，因此在不使用机动车的阶段期间可以减小要由燃料电池系统提供的电流。要提供的电流可以通过如下方式减小，即，不由燃料电池给至少一个要由燃料电池系统供给的电消耗器和/或电蓄存器供给电流，该电消耗器和/或电蓄存器不由于未被供给电流而被损害。

尤其是，这里公开的预测可以在不使用机动车的阶段开始之前完成。有利地，使用者或第三方还可以在停放机动车之前采取应对措施(例如寻找填充站)。有利地，在不使用的阶段之前预测的值可以在不使用的阶段期间持续地和/或周期性地和/或受事件触发地更新，例如在不使用期间在消耗燃料的自给自足运行之前或之时或之后。

这里公开的技术还涉及一种具有这里公开的燃料电池系统的机动车。机动车、尤其是燃料电池系统设置用于实施这里公开的方法。

这里公开的燃料电池系统包括至少一个燃料电池。燃料电池系统尤其是可以用于为用于使机动车前进运动的至少一个驱动机提供能量。在其最简的形式中，燃料电池是将燃料(例如氢)和氧化剂(例如空气、氧和过氧化物)转化成反应产物并且同时产生电和热的电化学能量转化器。除了所述至少一个燃料电池之外，燃料电池系统还包括在所述至少一个燃料电池运行时可以使用的外围系统部件(bop部件)。通常，多个燃料电池组合成一个燃料电池堆或者说堆。燃料电池系统包括阳极子系统，该阳极子系统由燃料电池系统的引导燃料的结构元件构成。阳极子系统的主要任务是将燃料引导给并且分配给阳极腔的电化学活性面并导出阳极排气。阳极子系统可以具有至少一个减压器、至少一个通向阳极入口的阳极输入管道、在燃料电池堆中的阳极腔和包括至少一个压力容器并且包括至少一个储箱截止阀的压力容器系统。燃料电池系统包括至少一个控制器，该控制器设置用于闭环控制或开环控制这里公开的方法。

压力容器系统用于储存在环境条件下呈气态的燃料。压力容器系统例如可以用在机动车中，该机动车用压缩天然气(cng)或液化天然气(lng)或用氢运行。这样的压力容器系统包括至少一个压力容器和至少一个储箱截止阀。压力容器例如可以是低温压力容器(＝cch2)或高压气体容器(＝cgh2)。高压气体容器构成为基本上在环境温度下在约为350过巴(＝相对于大气压的过压)、进一步优选约为700过巴或更高的名义运行压力(也称为名义工作压力或nwp)下持久储存燃料。低温压力容器适合于即使在明显低于机动车运行温度的温度下在前述的运行压力下储存燃料。

压力容器系统的储箱截止阀是其输入压力(基本上)等于容器压力的阀。储箱截止阀尤其是可控的或可调的、尤其是无电流闭合的阀。储箱截止阀通常集成到箱载阀(＝otv)中。箱载阀是直接装配在压力容器端部上的并且与压力容器内部直接流体连通的阀单元。在委员会于2010年4月26日的用于实施欧洲议会和理事会的(eg)第79/2009号关于用氢运行的机动车的型号批准的法令的(eu)第406/2010号法令中，这样的储箱截止阀也称为第一阀。在具有多个压力容器的压力容器系统中可以规定，在每个压力容器上设有这样的储箱截止阀或者在一个共同的阳极输入管路中设有储箱截止阀。

尤其是，这里公开的机动车可以通过如下方面描述：

1.具有燃料电池系统的机动车，其中，所述燃料电池系统设置用于确定或预测指示来自机动车压力容器系统的实际的和/或可能的燃料取出质量流量的指示值，并且燃料电池系统可设置成用于当指示值等于这里公开的边界值或低于该边界值时闭合至少一个储箱截止阀。

2.根据方面1所述的机动车，其中，不使用边界值小于机动车的使用边界值。

3.根据方面1或2所述的机动车，其中，燃料电池系统设置用于基于如下参量确定指示值：

——在压力容器系统中的燃料压力；

——在压力容器系统中的密度变化；和/或

——燃料电池系统的电功率。

4.根据上述方面之一所述的机动车，其中，所述燃料电池系统设置用于预测指示值。

——根据方面4所述的机动车，其中，在考虑a)在不使用的阶段期间压力容器系统的至少一个压力容器与周围环境之间的热交换的情况下进行预测；和/或在考虑b)在不使用的阶段期间预测的燃料消耗的情况下进行预测。

5.根据方面4或5所述的机动车，其中，燃料电池系统设置用于如果所确定的和/或预测的指示值低于不使用边界值则给车辆使用者和/或第三方输出信息。

6.根据方面4至6之一所述的机动车，其中，燃料电池系统设置用于，如果所确定的和/或预测的指示值低于不使用边界值或接近于不使用边界值，则去激活在不使用机动车期间机动车的所述至少一个消耗燃料的功能。

7.根据方面4至6之一所述的机动车，其中，在不使用的阶段开始之前完成预测。

换言之，对于在停车时燃料电池系统的一定的功能，尽管达到压力容器的取出切断阈值(＝边界值)仍能实现取出燃料。为此可以打开储箱阀亦或与此并行的旁路和/或储箱截止阀的预控阀。尤其是，为此可以使用阀和/或旁通阀，如其在申请号为de102016215323的德国专利申请中所公开的那样。因此，该阀和旁通阀通过援引而被一同接收到本公开内容中。

本公开内容基于如下认识：在停车期间例如为了能实现堆的冲扫过程、加压和在停止(停车)时其他燃料电池功能而出现的燃料质量流量通常比较小。按照这里公开的技术，降低适用于行驶的取出切断阈值。因而，在停车期间适用其他的取出切断阈值或边界值。

优选地，计算或预测可能的功能可以根据在停放时压力容器内容物(通常引来压力)和在停车期间压力容器中的压力发展(与外部温度发展和预期的消耗有关)来进行。如果一定的功能不可用或者仅有限地(在数量和功能范围方面)可用，则可以通知驾驶员(或维修站)，以便指明欠缺(功能限制、例如没有自给自足运行)或结果(例如燃料不足以为冷停放来调节燃料电池系统、给阳极加压和/或在停车之后达到最接近的填充站)。这里公开的技术能实现，尽管存在切断阈值，对于机动车的正常运行仍打开压力容器。例如可以阻止给高压蓄存器充电，如果该高压蓄存器在停车期间达到不允许低的填充度(例如最低车载电网消耗或温度降低)。这样低的填充度虽然是不希望的，然而不引起不可逆的损害或仅引起很小的不可逆的损害，所述损害参照燃料电池系统的可能的损害来说是可容忍的。

具体实施方式

现在依据图1描述这里公开的技术。图1示出这里公开的技术的示意性流程图。本方法以步骤s100开始。在步骤s200中，燃料电池系统的控制器检查机动车现在是已停车，还是接着将进行停车过程。在步骤s300中，为不使用的该阶段确定或预测指示值。为此，例如确定参量：在压力容器中的燃料的压力和温度，并且由这些参量导出指示值。如果例如计划机动车过夜停放，则可以依据燃料或压力容器的当前温度和外部温度近似算出在压力容器中的压力和温度的即将的变化。利用压力和温度的这些近似算出的值，得到取出质量流量的(指示)值，燃料电池系统的压力容器系统可以为燃料电池堆提供该取出质量流量。例如，为此可以在控制器中存储特性曲线族，在该特性曲线族中给压力和温度的不同值配设相应的(指示)值。

在步骤s400中，控制器检查指示值是否小于或等于不使用边界值或变成小于或等于不使用边界值。如果情况为“是”，则机动车将其通知给使用者或第三方(参见步骤s610)。在此，信息适宜地可以包含处理指示，例如“请在停放之前给机动车进行填充”。在步骤s612中确定：在不使用机动车期间仅允许燃料电池系统在降低的自给自足运行中运行。在该降低的自给自足运行中，仅仅实施消耗燃料的保护功能。去激活其他的消耗燃料的功能，以便降低燃料消耗。

如果在步骤s400中确定，指示值大于不使用边界值，则可以在步骤s500中检查，降低电负荷是否是值得推荐的。例如当指示值仅略微大于不使用边界值、例如仅大于5％或10％或20％时，情况可以为“是”。如果确定这一点，则可以同样给使用者或第三方输出信息，在该信息中指出：例如不执行一定的用于保护燃料电池系统的舒适性功能(参见步骤s510)。在这种情况下可以设置降低的自给自足运行，在该降低的自给自足运行中例如不激活一定的舒适性功能(例如车辆内室预空调)(参见步骤512)。

如果在步骤s500中确定，降低负荷不是必需的，则在步骤s530中可以全面进行包括所有保护功能、舒适性功能和空调功能的自给自足运行。优选地，重复这里示出的方法流程直至下次使用机动车。

这里公开的流程图构成一种实施方案。当然不是必须设置所有步骤。例如，也可以放弃通知使用者或第三方(参见s512、s612)和/或放弃降低电负荷及其检查(参见s500、s510、s512)。

这里公开的技术涉及一种方法以及一种机动车本身。结合方法公开的所有特征同样可应用于机动车的结构特征。同样地，公开的结构特征同样涉及这里公开的方法。这里公开的方法或这里公开的机动车可以预测性地在不使用的阶段开始之前使用和/或在不使用的阶段期间使用。

出于可读性的原因，简化性地部分省去了表述“至少一个”。只要这里公开的技术的特征是以单数或不定数方式描述的(例如燃料电池、燃料电池系统、指示值、燃料取出质量流量、压力容器、储箱截止阀、边界值、不使用边界值、使用边界值等等)，则同时也应当是一起公开了其复数(例如所述至少一个燃料电池、所述至少一个燃料电池系统、所述至少一个指示值、所述至少一个燃料取出质量流量、所述至少一个压力容器、所述至少一个储箱截止阀、所述至少一个边界值、所述至少一个不使用边界值、所述至少一个使用边界值等等)。

对本发明的上述描述仅用于解释目的，而不用于限制本发明的目的。在本发明的范围内，不同的改动和修改是可能的，而不偏离本发明的范围及其等同物。