用于运行燃料电池系统的方法、控制设备和燃料电池系统技术方案

本发明专利技术涉及一种用于运行燃料电池系统(100)的方法，所述燃料电池系统具有燃料电池堆(20)、压缩器(10)、压力维持阀(40)和控制设备(50)，所述燃料电池堆具有多个分别具有至少一个阴极区段(K)和至少一个阳极区段(A)的燃料电池(110)，所述压缩器(10)用于将空气输送所述阴极区段(K)中，其中，所述至少一个阴极区段(K)布置在所述压缩器(10)的下游并且与所述压缩器流体连通地布置，并且布置在所述压力维持阀(40)的上游并且与所述压力维持阀流体连通地布置，其中，所述燃料电池系统(100)具有在所述压缩器(10)和所述压力维持阀(40)之间的高压区域(HDB)。本发明专利技术还涉及一种控制设备(50)和一种燃料电池系统(100)。(50)和一种燃料电池系统(100)。(50)和一种燃料电池系统(100)。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于运行燃料电池系统的方法、控制设备和燃料电池系统

技术介绍

[0001]在燃料电池系统、尤其是用于驱动机动车的燃料电池系统中，氧化剂通常使用来自环境空气的氧气，以便在燃料电池中与氢气反应生成水(或者说水蒸汽)并且因此通过电化学转换提供电功率。在此，燃料电池系统的动态特性主要取决于空气系统的动态特性。在此，空气质量流的反应所需的氧气是限制参量。在朝向更高的燃料电池功率、尤其是燃料电池堆功率发生负载跃变的情况下，必须增加空气系统的压缩器的转速或者说功率并且因而增加空气质量流。
[0002]此外，燃料电池系统的水管理导致对空气系统的附加要求。在跃变到更高的燃料电池功率的情况下产生更多热量，必须从系统中将这些热量排出。为了能够排出这些热量，通常需要提高运行温度。然而，在稳定状态下增加的温度有利于燃料电池堆的膜片的脱水(Austrocknung)，所述脱水对燃料电池堆的性能以及寿命都有负面影响。为了抵消从系统中的水的排放，因此必须提高运行压力。空气质量流的动态特性取决于压缩器的工作特征曲线(Arbeitskennlinie)和空气流路径。工作特征曲线能够受到燃料电池系统的压力维持阀的位态的影响。空气流路径的动态特性取决于压缩器的动态特性。然而，压缩器的功率是有限的。能够用于加速转子的力矩由电机的驱动力矩减去压缩器的转子的摩擦力矩和来自转子的压力侧的反压力(Gegendruck)的力矩得出。通常，根据压力维持阀的位态，在质量流和压力损失之间存在固定的关系。该关系在此通常取决于稳定运行点的要求。已知的解决方案的共同缺点是：在苛刻的运行条件下、例如在高环境温度下，在非常动态的性能并且因此空气质量流的快速变化作为一方面和燃料电池系统的持续负荷能力作为另一方面之间也存在目标冲突。

技术实现思路

[0003]本专利技术公开了一种根据权利要求1的特征的用于运行燃料电池系统的方法、一种根据权利要求10的特征的控制设备以及一种根据权利要求11的特征的燃料电池系统。
[0004]本专利技术的其他特征和细节由从属权利要求、说明书和附图中得出。在此，结合根据本专利技术的方法描述的特征和细节当然也适用于结合根据本专利技术的控制设备和根据本专利技术的燃料电池系统，并且反之亦然，使得关于对各个专利技术方面的公开总是相互参考或者说能够相互参考。
[0005]根据第一方面，本专利技术示出一种用于运行燃料电池系统的方法。所述燃料电池系统具有燃料电池堆、压缩器、压力维持阀(Druckhalteventil)和控制设备，所述燃料电池堆具有多个分别具有至少一个阴极区段和至少一个阳极区段的燃料电池，所述压缩器用于将空气输送到所述阴极区段中。至少一个阴极区段布置在压缩器的下游并且与所述压缩器流体连通地(fluidkommunizierend)布置，并且布置在压力维持阀的上游并且与所述压力维持阀流体连通地布置。燃料电池系统具有在压缩器和压力维持阀之间的高压区域，其中，所述方法包括以下步骤：
[0006]a)由控制设备接收增加通到至少一个阴极区段的空气质量流的请求，
[0007]b)通过由控制设备至少部分地打开压力维持阀来降低在高压区域中的压力，
[0008]c)通过由控制设备进行的压缩器的转速增加来增加通到至少一个阴极区段的空气质量流，
[0009]d)通过在恒定或者近似恒定的空气质量流的情况下由控制设备至少部分地关闭压力维持阀来增加在高压区域中的压力。
[0010]根据本专利技术的方法特别有利地能够实现：燃料电池系统对负载增加的请求(即需求增加的通过燃料电池系统的能量输出)作出反应。根据本专利技术的方法在接收到增加空气质量流的请求之后首先为了增加在阴极区段的入口处的空气质量流而至少部分地、优选完全打开压力维持阀。燃料电池系统的空气质量流通过在压缩器的转速恒定或者近似恒定的情况下至少部分地打开压力维持阀而增加。通过打开压力维持阀，对于压缩器，降低了燃料电池系统的压力阻力并且因而简化了或者说明显更快地实现了压缩器的转速的增加。通过随后、优选部分同时地增加压缩器的转速并且打开压力维持阀，有利地，在阴极区段的入口处所需的空气质量流被尽可能快地调设。为了随后或者说部分并行的压力增加，在空气质量流恒定或者近似恒定的情况下进行压力维持阀的部分关闭，尤其是在阴极区段的入口处。为了在至少部分地关闭压力维持阀期间将空气质量流保持为恒定或者近似恒定的，进一步增加压缩器的转速。在本专利技术的范畴内，高压区域被理解为具有增加的压力的区域。增加的压力在高压区域中通过压缩器在压缩器下游的流动路径中产生，并且该增加的压力优选被维持直至压力维持阀和/或涡轮机(参见本申请的进一步描述)。在本专利技术的意义上，空气质量流能够包含水、尤其是水蒸汽的部分或者其他物质。在逻辑上，在压缩器的运行期间无法设置压力维持阀的完全关闭。压缩器的这种工作特征能够实现：燃料电池系统对负载增加的请求(即需求增加的通过燃料电池系统的能量输出)特别高效且快速地作出反应。
[0011]依据根据本专利技术的方法的一种优选实施方式设置，燃料电池系统还具有加湿器、尤其是外部的加湿器，以用于加湿燃料电池系统的膜片，尤其其中，外部加湿器在至少一个阴极区段的上游和/或下游与阴极区段流体连通地布置。在跃变到更高的燃料电池功率的情况下，会产生更多的热量，所述热量必须从系统中排出。为了能够排出这些热量，通常需要提高运行温度。然而，在稳定状态下增加的温度有利于燃料电池系统的膜片的脱水，所述脱水对燃料电池系统的性能和寿命都有负面影响。为了回收流体、尤其是水，加湿器能够再次在阴极区段的下游被流动通过。用于加湿膜片的加湿器、尤其是外部的加湿器能够以简单且成本有利的手段实现燃料电池系统的有利的使用寿命的延长和/或性能的提高。
[0012]依据根据本专利技术的方法的一种优选实施方式设置，通过至少部分地关闭压力维持阀以便增加高压区域中的压力根据膜片的湿度进行。能量输出的增加导致燃料电池系统更高的运行温度。在高压区域内的压力比与高压区域中的温度处于直接相互作用中。温度的升高，尤其是在质量流恒定或者近似恒定时部分关闭压力维持阀的情况下，能够实现在燃料电池系统的高压区域中的压力的增加。为了使燃料电池系统的至少一个膜片始终具有足够的湿度，根据本专利技术的方法的一个有利构型是：根据燃料电池系统的至少一个膜片的湿度实现至少部分地关闭压力维持阀并且因而实现温度升高。因此，能够有利地避免膜片的脱水和/或膜片的湿度下降到临界值以下。
[0013]依据根据本专利技术的方法的一种优选实施方式设置，通过至少部分地打开压力维持阀直到达到或者几乎达到压缩器的特征图(Kennfeld)的截止极限(Sperrgrenze)来实现在
高压区域中的压力的降低。对于压缩器的特别高效的工作特征曲线和/或快速实现压缩器的新的运行点以用于燃料电池系统的增加的能量输出来说，通过至少部分地打开压力维持阀直到达到或者几乎达到压缩器的特征图的截止极限来实现在高压区域中的压力的降低是特别有利的。通过压缩器的直到特征图的截止极限的运行点变化过程，在压缩器的转速首先恒定的情况下实现了尽可能高的质量流。沿着压缩器特征图的截止极限的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种用于运行燃料电池系统(100)的方法，所述燃料电池系统具有燃料电池堆(20)、压缩器(10)、压力维持阀(40)和控制设备(50)，所述燃料电池堆具有多个燃料电池(110)，所述燃料电池(110)分别具有至少一个阴极区段(K)和至少一个阳极区段(A)，所述压缩器(10)用于将空气输送到所述阴极区段(K)中，其中，所述至少一个阴极区段(K)布置在所述压缩器(10)的下游并且与所述压缩器流体连通地布置，且布置在所述压力维持阀(40)的上游并且与所述压力维持阀流体连通地布置，其中，所述燃料电池系统(100)具有在所述压缩器(10)与所述压力维持阀(40)之间的高压区域(HDB)，其中，所述方法包括以下步骤：a)由所述控制设备(50)接收对增加的通到所述至少一个阴极区段(K)的空气质量流(ms)的请求，b)通过由所述控制设备(50)至少部分地打开所述压力维持阀(40)来降低在所述高压区域(HDB)中的压力，c)通过由所述控制设备(50)增加所述压缩器(10)的转速来增加通到所述至少一个阴极区段(K)的空气质量流(ms)，d)通过在恒定或者近似恒定的空气质量流(ms)的情况下由所述控制设备(50)至少部分地关闭所述压力维持阀(40)来增加在所述高压区域(HDB)中的压力。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述燃料电池系统(100)还具有加湿器(60)、尤其是外部的加湿器(60)，以用于加湿膜片(22)，尤其其中，所述外部的加湿器(60)在所述至少一个阴极区段(K)的上游和/或下游与所述阴极区段(K)流体连通地布置。3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，根据所述膜片(22)的湿度通过至少部分地关闭所述压力维持阀(40)来增加在所述高压区域(HDB)中的压力。4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，通过至少部分地打开所述压力维持阀(40)直到达到或几乎达到所述压缩器(10)的特征图的截止极限(SG)来实现在所述高压区域(HDB)中的压力的降低。5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述燃料电池系统(100)还具有涡轮机(30)，其中，所述涡轮机(30)布置在所述阴极区段的下游并且与所述阴极区段(K)流体连通地布置，其中，所述压力维持阀(40)布置在所述涡轮机(30)的下游或者上游。6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述燃料电池系统(100)还具有增压空气冷却器(70)，尤其其中，所述增压空气冷却器(70)在所述压缩器(10)的下游和/或所述阴极区段(K)的上游与所述阴极区段(K)流体连通地布置。7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：S，
申请(专利权)人：罗伯特，
类型：发明
国别省市：