本发明涉及一种用于防止在尤其燃料电池车辆的燃料电池机组的排气装置中的氢自主持续燃烧的方法。本发明还涉及燃料电池机组、燃料电池系统或燃料电池车辆。
背景技术：
1、在例如燃料电池车辆的例如燃料电池系统的燃料电池机组(固定式或移动式)的低温聚合物电解质燃料电池中，两种运行介质的两种反应物电化学转化为电能和热量。在此，燃料电池包括至少一个隔膜电极组件(mea)。通常，燃料电池构造为具有多个布置成堆叠的隔膜电极单元和布置在它们之间的双极板(燃料电池堆或堆垛)。
2、隔膜电极单元的催化剂层的完整性对于燃料电池堆的性能特征和使用寿命是至关重要的。因此，在燃料电池机组停机时，燃料电池堆在阴极侧和阳极侧被截止，以便尽可能延迟对于燃料电池机组的损坏燃料电池堆的阴极的催化剂层的空气/空气启动的前提条件。如果存在对于空气/空气启动的条件，则在启动燃料电池机组之前应采取相应的对策。
3、在存在对于空气/空气启动的条件之前，氮气从燃料电池堆的阴极扩散到阳极中，而氢气扩散到燃料电池堆的阴极中。在燃料电池机组启动时，阴极中的氢气导致燃料电池机组的排气装置中的氢浓度增加，由此在那里并不总是确保遵循爆炸下极限(ueg)。因此，本发明的任务是将燃料电池机组的排气装置中的氢浓度保持得低，使得在那里在排气装置中的氢不能自主地继续燃烧，即在氢气点燃之后在排气装置中不再能继续存在独立于点火源的火焰。
技术实现思路
1、本发明的任务通过一种在燃料电池机组启动时防止尤其燃料电池车辆的燃料电池机组的排气装置中的氢自主持续燃烧的方法以及借助燃料电池机组、燃料电池系统或燃料电池汽车来解决。本发明的有利扩展方案、附加特征和/或优点由从属权利要求和以下说明得出。
2、在根据本发明的方法中，在存在燃料电池机组的至少一个启动条件时，从燃料电池机组的阴极侧和/或排气装置侧的气体中除去反应性氢，直到在燃料电池机组启动时在排气装置中的氢浓度的当前水平低于氢爆炸下极限，其中，优选地仅当燃料电池机组中的阴极侧和/或排气装置侧的气体的氢浓度的初始水平超过对于排气装置的氢爆炸下极限时才执行该方法。
3、即根据本发明，在燃料电池机组的燃料电池堆实际投入运行之前，使对于燃料电池机组的排气装置的阴极侧和/或排气装置侧的气体中的氢浓度如此减小，使得至少在排气装置中低于气体的氢爆炸下极限。这自然也可以涉及阴极。在阴极中，氢气燃烧(爆炸)的问题不太明显，使得本发明的焦点在于排气装置。
4、涉及阴极侧和/或排气装置侧在此应意味着尤其来自燃料电池机组的燃料电池堆的阴极的氢气，其中，氢气从燃料电池堆的阳极扩散到阴极中。在此，无论氢气现在处于阴极供应路径中、燃料电池堆的阴极室中、阴极废气路径中、阴极供应装置的废气旁通阀或旁路中、在该旁路的下游、在阳极供应装置的阳极废气路径(清除管路或类似装置)中和/或在排气装置中。重要的是，在燃料电池堆实际投入运行时，排气装置中的氢浓度低于氢爆炸下极限。
5、可以通过氧气、优选通过阴极侧和/或排气装置侧的气体与空气接触从阴极和/或排气装置侧的气体中除去反应性氢。在此，空气可以扩散到阴极侧和/或排气装置侧的气体中，空气可以朝向阴极侧和/或排气装置侧的气体输送，和/或空气可以输送到阴极侧和/或排气装置侧的气体中。即阴极侧和/或排气装置侧的气体中的反应性氢通过氧气、尤其大气中的氧气发生反应。时间上随后可以启动燃料电池机组并且运行燃料电池堆。有效地防止排气装置中的氢浓度峰值。
6、时间上在存在至少一个启动条件之前，阻断阴极与周围环境的流体连通。在此可能发生泄漏(原因之一是燃料电池机组的可能迟后的空气/空气启动)。在此，两个阴极截止阀可以被关闭和/或是关闭的。在这里也可能尤其由于截止阀而发生泄漏，(即原因之一又是可能迟后的空气/空气启动)。此外，燃料电池机组的阳极被截止和/或是截止的。
7、燃料电池机组的至少一个启动条件可以通过燃料电池机组的预期启动的信号或启动来表征。此外，启动条件可以通过预定或事先求出的日期来表征和/或通过基于ki的模型确定。此外，启动条件可以通过来自燃料电池机组的燃料电池系统的内部信号来表征。此外，启动条件可以通过来自燃料电池机组的燃料电池系统以外的外部信号来表征。在此，燃料电池机组自然属于燃料电池系统。
8、可以估计、求取和/或测量阴极侧和/或排气装置侧的气体中的氢浓度的初始水平。在此例如可以优选地基于燃料电池机组的停机时间估计初始水平。氢浓度的初始水平还可以通过已知的特性曲线或已知的特性曲线簇和/或基于ki的模型求取。此外，初始水平可以通过阴极侧的传感器、尤其氢传感器测量或求取。此外，初始水平必要时可以通过阳极侧的传感器、尤其氢传感器求取。
9、根据阴极侧和/或排气装置侧的气体中的氢浓度的初始水平自然可以决定，氢浓度是否超过对于排气装置的氢爆炸下极限。如果是前者的情况，则继续该方法；如果是后者的情况，则可以中止所述方法并且继续启动燃料电池机组。
10、为了从阴极侧和/或排气装置侧的气体中除去反应性氢，可以启动并运行燃料电池机组的阴极供应装置的流体输送装置。在此，阴极供应装置的废气旁通阀或燃料电池堆的阴极侧旁路可以打开和保持打开或保持关闭。在此，可以打开阴极入口截止阀并且阴极供应装置的阴极出口截止阀可以保持关闭。在此，尤其废气旁通阀或阴极侧旁路保持关闭。替代地可以打开阴极出口截止阀并且可以保持阴极供应装置的阴极入口截止阀关闭。在此，尤其废气旁通阀或阴极侧旁路被打开。
11、例如可以首先启动阴极供应装置的流体输送装置，时间上随后可以打开阴极截止阀。替代地可以首先打开阴极截止阀，时间上随后启动阴极供应装置的流体输送装置。替代地可以又启动阴极供应装置的流体输送装置，并且基本时间上与此并行地打开阴极截止阀。废气旁通阀或阴极侧旁路在此必须相应地打开(阴极出口截止阀打开)或关闭(阴极入口截止阀打开)。
12、为了从阴极侧和/或排气装置侧的气体中除去反应性氢，阴极可以至少一次在输入侧并且一次在输出侧，或交替地必要时甚至以更高的频率(大于0.5hz)在输入侧和输出侧被加载或充注以空气。例如，为此启动阴极供应装置的流体输送装置并且打开阴极入口截止阀，其中，一方面阴极出口截止阀以及另一方面阴极供应装置的废气旁通阀或阴极侧旁路保持关闭。在此，空气在输入侧被挤压或输送到阴极中。现在阴极入口截止阀关闭，其中，流体输送装置可以继续输送、以较低功率运行或必要时甚至关闭。
13、时间上随后地，一方面打开阴极出口截止阀以及另一方面打开阴极供应装置的废气旁通阀或阴极侧旁路。在输出侧不必通向阴极的阀也可以关闭，以便空气可以在输出侧被挤压或输送到阴极中。此外，流体输送装置在此又以与在输入侧供应阴极类似的方式输送空气。现在空气在输出侧被输送或挤压到阴极中。现在，时间上随后可以又在输入侧向阴极供应空气等。可以通过实验求取哪个频率良好地适用于或最好地适用于从阴极侧和/或排气装置侧的气体中除去反应性氢。
14、在除去反应性氢时可以估计、求取和/或测量阴极侧和/或排气装置侧的气体中的氢浓度的当前水平。因此，氢浓度的当前水平可以例如基于燃料电池机组的之前的停机时间估计。此外，可以通过已知的特性曲线或已知的特性曲线簇和/或基于ki的模型求取当前水平。此外，阴极侧和/或排气装置侧的气体中的氢浓度的当前水平可以通过阴极侧或排气装置侧的传感器、尤其氢传感器测量或求取。
15、如果例如估计的、求出的和/或测量的阴极侧和/或排气装置侧的气体中的氢气浓度低于氢爆炸下极限，则打开仍然关闭的阴极截止阀、尤其阴极出口截止阀或阴极入口截止阀，并且可以继续燃料电池机组的启动。整个方法例如可以基于来自燃料电池机组的内部信号执行。此外，整个方法可以基于来自燃料电池机组以外的外部信号执行。此外，整个方法基本上可以基本上在燃料电池机组每次启动时执行。
16、本发明可以简单地通过在燃料电池机组启动期间、尤其在对阴极充注以新鲜空气期间观察阴极侧的流体压力或流体质量流来证明。关于对本发明的证明也可以观察截止阀的操纵顺序和时间过程。
1.一种用于在燃料电池机组(1)启动时防止所述燃料电池机组(1)的排气装置(150)中的氢自主持续燃烧的方法(200)，所述燃料电池机组尤其为燃料电池车辆的燃料电池机组，其特征在于，
2.根据前述权利要求所述的方法(200)，其特征在于，从所述阴极侧和/或排气装置侧的气体除去(230)反应性氢通过氧气，优选地通过所述阴极侧和/或排气装置侧的气体与空气的接触实现，其中，
3.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，时间上在存在(190)所述至少一个启动条件(210)之前：
4.根据前述权利要求中任一项所述的方法(200)，其特征在于，所述燃料电池机组(1)的至少一个启动条件(210)通过
5.根据前述权利要求中任一项所述的方法(200)，其特征在于，估计、求取和/或测量(220)所述阴极侧和/或排气装置侧的气体中的氢浓度的初始水平，其中，所述氢浓度的初始水平优选地
6.根据前述权利要求中任一项所述的方法(200)，其特征在于，为了从所述阴极侧和/或排气装置侧的气体中除去(230)反应性氢：
7.根据前述权利要求中任一项所述的方法(200)，其特征在于，为了从所述阴极侧和/或排气装置侧的气体中除去(230)反应性氢，所述阴极(130)至少一次在输入侧并且一次在输出侧，或交替地在输入侧和输出侧被加载或充注以空气。
8.根据前述权利要求中任一项所述的方法(200)，其特征在于，在除去(230)反应性氢时，估计、求取和/或测量(240)在所述阴极侧和/或排气装置侧的气体中的氢浓度的当前水平，其中，所述氢浓度的当前水平优选地：
9.根据前述权利要求中任一项所述的方法(200)，其特征在于，如果所述阴极侧和/或排气装置侧的气体中的氢浓度的当前水平低于(242)所述氢爆炸下极限，则打开仍然关闭的阴极截止阀(132/131)，并且继续所述燃料电池机组(1)的启动。
10.根据前述权利要求中任一项所述的方法(200)，其特征在于，整个方法(200)：
11.一种燃料电池机组(1)、燃料电池系统或燃料电池车辆，其特征在于，通过所述燃料电池机组(1)、所述燃料电池系统或所述燃料电池车辆执行和/或能够执行根据前述权利要求中的任一项所述的方法(200)，以防止在所述燃料电池机组(1)的排气装置(150)中的氢自主持续燃烧。
