燃料电池系统停运后的启动方法技术方案

燃料电池系统(1)，包括：燃料电池(1)，燃料电池包括一组多个分别具有阳极部分(7)、电解质膜(11)和阴极部分(9)的单电池；通向阳极气体入口且包括燃料源(25)和燃料定量装置的阳极气源；阴极气源；以及将阳极气体出口与布置在阳极气源中的混合器的再循环气体入口连接起来的被动阳极气体再循环装置(21)，燃料电池系统停运后将其启动的方式为：在启动的第一阶段(“初始化阶段”)，燃料电池(3)以来自燃料源(25)的燃料供应启动，在不主动阻断阳极气体再循环装置(21)的情况下，阳极气体再循环被抑制，而在时间上跟随第一阶段之后的启动的第二阶段(“巩固阶段”)，除由燃料源(25)供应燃料外，还进行阳极气体再循环。还进行阳极气体再循环。还进行阳极气体再循环。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】燃料电池系统停运后的启动方法


[0001]本专利技术涉及一种燃料电池系统，所述燃料电池系统包括：实际的燃料电池，所述燃料电池包括一组多个分别具有阳极部分、电解质膜和阴极部分的单电池(Einzelzelle)；出口开设在阳极气体入口处且包括燃料源和燃料定量装置的阳极气源；阴极气源；以及将阳极气体出口与布置在阳极气源中的混合器的再循环气体入口连接起来的阳极气体再循环装置。特别地，本专利技术涉及这种燃料电池系统停运后的启动。

技术介绍

[0002]本文开头所提到的这类燃料电池系统特别是以氢为燃料，在现有技术中有各种不同的变体，例如在实现阳极气体再循环方面有所区别，即采用输送风扇(所谓的“主动再循环”)，或不采用输送风扇(所谓的“被动再循环”)，而是使用具有抽吸作用的、特别是实施为喷射泵的混合器。目前，燃料电池系统因用于电力驱动汽车而成为关注的焦点。正是——但不仅仅是——在这一应用领域，由于不可避免的、频繁出现的停运时间，需要特别关注燃料电池的行为以及在关闭功率运行期间、随后的停运期间和停运后重新启动期间燃料电池内部所发生的过程。
[0003]本申请所参考的EP 1 627 442 B1、EP 1 897 165 B1、DE 10 2007 037 304 B4、KR 10
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1080782B1、DE 10 2011 105 054 A1、DE 10 2018 218 083 A1和US 2019/0148746A1对燃料电池停运期间其内部的过程以及由此产生的问题进行了部分合格的、程度不一的全面讨论。US 2019/0148746 A1涉及一种具有被动阳极气体再循环的燃料电池系统，根据该文献，阳极气体再循环装置内部设有可由致动器操纵的主动式电磁阀。当根据燃料电池的电压下降诊断出功能减退时，该电磁阀会与同样设置在阳极气体再循环装置内部的存储容积(Speichervolumen)一起用于针对性地产生湍流。在同样是关于具有被动阳极气体再循环的燃料电池系统的DE 10 2011 105 054 A1中得出的研究结果是，至少在燃料电池的启动过程中，采取至少一项措施来增强阳极部分内的对流和/或湍流。特别地，设置在阳极气源中的阀门装置的脉冲操作模式被认为是这样一种增强对流的措施，该阀门装置已经在启动阶段启动了阳极气体再循环，因此，即使在阳极部分的出口阀关闭时，也能实现阳极侧气体的充分混合。其他建议的方向相反，即实施复杂程度不一的(非生产性)吹扫循环。

技术实现思路

[0004]尽管需求很大，但关于如何从停运状态启动燃料电池(或燃料电池系统)，目前仍缺乏令人信服的实用解决方案，这最终也表现在迄今为止所提交的大量不同建议上，上文仅就现有技术给出了一种选择，其中，相关的实用性标准具体是指开始生产性运行之前所需要的最短时间、较低的工程成本或设备成本、高能效以及较高的可靠性和运行安全性，在某些情况下，这些标准之间存在目标冲突，需要进行折中(例如，在开始生产性运行之前所需要的最短时间与高能效之间进行折中)。因此，在改进燃料电池技术的总体目标下，并且
基于上述现有技术，本专利技术的目的是为燃料电池的停运问题找到补救办法，并提供实用的解决方案，其具体形式是一种与根据DE 10 2011 105 054 A1的方法相比有所改进的、燃料电池(特别是用氢运行的低温燃料电池)停运后的启动方法以及一种包括这种燃料电池的燃料电池系统。
[0005]根据本专利技术，用以达成该目的的解决方案为：具有被动阳极气体再循环装置的燃料电池系统的启动至少分两个阶段进行，在启动的第一阶段(“初始化阶段”)，燃料电池以来自燃料源的燃料供应启动运行，其中阳极气体再循环——在不借助外部(特别是由控制单元以对相关致动器进行控制的方式)致动的元件来主动阻断阳极气体再循环装置的情况下——被抑制，并且在时间上跟随于第一阶段之后的启动操作第二阶段(“巩固阶段”)，才在由燃料源供应燃料之外进一步发生阳极气体再循环。因此，本专利技术明确背离了DE 10 2011 105 054 A1所传授的技术教示，即在启动阶段抑制或阻止阳极气体再循环。在燃料电池以来自燃料源的燃料供应启动运行的启动阶段，视需要而存在于阳极气体出口中的阀门不关闭，而是打开，这与DE 10 2011 105 054 A1所建议的不同。因此，本专利技术基于以下与DE 10 2011 105 054 A1的教示背道而驰的认识：在燃料电池启动的初始化期间通过再循环装置对阳极气体进行再循环是弊大于利的。然而，阳极气体再循环并不是被内置在(被动)阳极气体再循环装置中的外部致动(特别是由控制单元以对相关致动器进行控制的方式加以致动的)元件所抑制(即完全地或至少很大程度上地被阻止)；因为阳极气体再循环装置恰好不具有这样的外部致动元件。
[0006]据此，阳极气体再循环装置在初始化阶段一定程度上不发挥作用，可以说完全或至少在很大程度上如同不存在一样。如此一来，存在于该处的气体量——由于阳极气体再循环装置的通流横截面一般比较大，该气体量相当可观——对于燃料电池启动的第一阶段也就无关紧要了，也就是说，该气体量尤其不会抑制吹扫过程和初始化过程或以其他方式干扰吹扫过程和初始化过程。通过在初始化阶段抑制或阻止阳极气体再循环的发生，当通过为燃料电池加载燃料而对燃料电池产生吹扫作用时，会引发这样一种效果：与立即发生阳极气体再循环的情况相比，燃料电池将更早地开始其生产性运行。本专利技术不需要单独的主动阻断装置就能达到这一结果，而单独的主动阻断装置意味着设备成本和控制技术成本，而且必然对可靠性和运行安全性产生不利影响。
[0007]根据本专利技术的一个优选技术方案，如果混合器由喷射泵形成，那么——根据本专利技术的一个特别有利的进一步设计——在初始化阶段仅是通过喷射泵的操作方式来抑制阳极气体再循环。据此，在初始化阶段操作喷射泵，使其在再循环气体入口处所产生的抽吸作用可以忽略不计或者至少如此之弱，以至于——在考虑到其他流体技术影响变量的情况下——不发生明显的阳极气体再循环。显然，在初始化阶段，所有旨在使混合器产生强烈的抽吸作用或旨在增强混合器的抽吸作用的措施都被有意省略了；进入巩固阶段后才采取这些措施，在巩固阶段，阳极气体再循环被激活，但有相应的延迟。
[0008]在本专利技术的进一步优选的技术方案中，对(形成混合器的)喷射泵所施加的影响使得在初始化阶段，仅通过影响对混合器的燃料供应来使得再循环气体入口处不产生会引发(明显的)阳极气体再循环的抽吸作用。特别地，为此可以在初始化阶段有意识地放弃对射流喷嘴的脉冲式燃料供应，也就是说，可以以或多或少保持不变的低质量流量将燃料(氢等)尽可能均匀地供应给喷射泵。根据以上所述，在本专利技术范围内，根据本专利技术的一个优选
技术方案，阳极气体再循环装置和混合器(喷射泵)的设备配置在燃料电池启动的第一和第二阶段(即在初始化阶段和巩固阶段)可以是相同的，因为不同的运行特性完全是通过改变对混合器的燃料供应而产生。
[0009]然而，上述措施并不是强制性的。相反，也可以考虑使阳极气体再循环装置和/或混合器(喷射泵)在初始化阶段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】1.一种燃料电池系统(1)停运后的启动方法，所述燃料电池系统包括：
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燃料电池(1)，所述燃料电池包括一组多个分别具有阳极部分(7)、电解质膜(11)和阴极部分(9)的单电池，
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出口开设在阳极气体入口处且包括燃料源(25)和燃料定量装置的阳极气源，
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阴极气源，以及
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将阳极气体出口与布置在所述阳极气源中的混合器的再循环气体入口连接起来的被动阳极气体再循环装置(21)，所述方法包括以下步骤：
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在启动的第一阶段(“初始化阶段”)，所述燃料电池(3)以来自所述燃料源(25)的燃料供应启动运行，其中在不主动阻断所述阳极气体再循环装置(21)的情况下，阳极气体再循环被抑制；
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在时间上跟随于所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：J，
申请(专利权)人：贺尔碧格传动技术控股有限公司，
类型：发明
国别省市：