CN102549826A - 用于运行燃料电池系统的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于运行燃料电池系统(1)的方法，所述燃料电池系统具有至少一个燃料电池(2)以及送入空气侧的空气输送设备(6)和排出空气侧的涡轮机(15)。燃料电池系统(1)至少在关断程序期间被来自空气输送设备(6)的空气冲洗。在冲洗期间，建立空气输送设备(6)与位于燃料电池(2)和涡轮机(15)之间的排出空气侧之间的连接。

Description

用于运行燃料电池系统的方法

技术领域

本发明涉及一种用于运行燃料电池系统的方法，所述燃料电池系统的类型在权利要求1的前序部分中详细定义。

背景技术

由现有技术普遍已知了燃料电池系统。在此，例如燃料电池系统可以配备有空气输送设备和排出空气侧的涡轮机，例如像德国专利DE10216953B4所描述的那样。

此外，现在还已知，在燃料电池的运行中，产生作为产物之一的湿气或水。为此，由现有技术普遍已知了，在燃料电池系统关断时用空气冲洗燃料电池系统，以便相应地干燥所述湿气或水，并从而阻止水在温度低于冰点时结冰。例如，在德国公开文献DE10150386A1中描述了这种方法。此外，DE10314820A1也描述了一种类似的方法，该方法用于阻止在燃料电池系统的阳极循环中一结构单元中的水结冰，所述结构单元包含至少一个活动部件。

此外，由开头提到的德国专利DE10216953B4还已知了所谓的回流进气阀/环绕流动阀，透平压缩机的出口可以通过该回流进气阀与直接与该透平压缩机连接的涡轮机的入口相连接。通过该回流进气阀可以相应地调节流至燃料电池的空气量，这是因为可以实现具有较小的压力损失的排出空气路径，通过该排出空气路径可把压缩空气的一部分再次排出。为了能相应地短期内控制该文献中描述的、形式为自由轮离合器的涡轮增压器，这是必须的，因为否则难以快速控制空气供给的质量流量。

现在，在上述利用空气冲洗燃料电池系统时基本上出现了两个缺点。为了实现整个系统且在此尤其是涡轮机完全没有液滴，从而在系统重起动时涡轮机不被可能结冰的液滴阻碍/阻塞，需要相对较大的空气量。这些空气必须运输通过整个系统，这一方面导致用于提供冲洗空气的高的能量需求，另一方面，不必要地使设计为PEM(质子交换膜)-燃料电池组的燃料电池的膜被强烈干燥。

发明内容

因此，本发明的目的在于，提供一种用于运行燃料电池系统的方法，该方法在较长时期内不损害燃料电池本身的情况下实现了安全的运行，且尤其当温度低于冰点时实现了安全的重起动，此外，该方法具有尽可能小的能量需求。

根据本发明，该目的通过具有权利要求1的特征部分中的特征的方法来实现。由其余的从属权利要求得到根据本发明的方法的其它有利的设计方案。

在根据本发明的方法中，在冲洗期间，建立空气输送设备与位于燃料电池和涡轮机之间的排出空气侧之间的连接。例如可以通过所谓的系统旁路阀实现的这种连接允许了，至少在冲洗过程的一部分时间期间，在冲洗空气通过空气输送设备而被压缩之后，冲洗空气直接或至少在绕过燃料电池本身的情况下被引导至涡轮机的区域中。从而能以相对较小的压力损失以及进而小的能量耗费实现通过涡轮机的体积流量。由此驱动该涡轮机，并通过离心力甩离可能存在的液滴。于是液滴被冲净和/或被在空气输送设备中经加热的空气干燥。因此，涡轮机保持完全干燥的状态，从而即使当温度低于冰点时，在重起动时涡轮机也不会被冷凝和结冰的水滴阻碍。因此，涡轮机可以迅速起动并承担其功能。

在根据本发明的方法的一特别有益且有利的设计方案中，所述冲洗在燃料电池系统关断后立即进行。在时间点方面，该冲洗过程对应于典型的、如从现有技术中已知的那样的冲洗过程。当然，该冲洗过程至少有一部分时间通过系统旁路阀引导，因此以最小的能量耗费仅用于涡轮机的干燥。即该冲洗过程在之前没有流经燃料电池本身的情况下直接被导入涡轮机中。由此阻止了过度干燥燃料电池并避免了由于压力损失而在燃料电池中产生的能量需求。

在根据本发明的方法的一非常有益且有利的改进方案中，还可以设计为，在燃料电池系统的运行期间额外地偶尔进行冲洗。这样提供了这样的可能性，即在系统中在确定的运行阶段中或在一定时间过后，尤其在温度低于冰点的情况下，进行对系统或涡轮机的偶尔的冲洗。因此，在运行期间或尤其在短暂的停机阶段期间例如在由于车辆中的燃料电池系统的起动-停止-运行而会出现的待机运行中，同样可以防止结冰。

在根据本发明的方法的一特别有益且有利的改进方案中，还可以设计为，至少部分地通过涡轮机驱动空气输送设备。这种可以实现为例如自由轮离合器、然而尤其为所谓的电涡轮增压器(ETC＝Electric TurboCharger)的结构实现了，通过在涡轮机中的膨胀回收利用了压缩冲洗空气所需的能量的一部分。然后，涡轮机把这部分能量例如额外地提供用于电动驱动空气输送设备以减小空气输送设备所需的电驱动功率。

在根据本发明的方法的另一非常有益且有利的设计方案中，还将该方法用于运行运输工具、尤其是机动车中的燃料电池系统。该结构实现了如此关断和如此运行燃料电池系统，使得不会由于温度低于冰点而在系统的重起动或重开动方面出现问题。这种应用优选用在这样的运输工具中，即该运输工具要求燃料电池系统相对较频繁的停止工作和重起动，且该运输工具通常经常在户外(运行)且进而可能即便在温度低于冰点时仍在路上。

附图说明

本发明的其它有利的设计方案由其余的从属权利要求得到并借助于实施例明确，该实施例在下面参考附图进一步被描述。

附图示出：

图1是利用根据本发明的方法使用的燃料电池系统的第一可能的实施形式；以及

图2是利用根据本发明的方法使用的燃料电池系统的第二可能的实施形式。

具体实施方式

从图1可以看到燃料电池系统1。燃料电池系统1的核心是具有阴极室3的燃料电池2，该阴极室3通过传导质子的膜4与阳极室5隔开。其中，在优选的实施形式中，燃料电池2应设计为PEM-燃料电池组。通过空气输送设备6向燃料电池2或燃料电池2的阴极室3输入空气。在燃料电池2中，该空气中的氧和来自氢存储设备7中的氢一起转化为电功率和产物水。这经过膜4进行。为此，来自氢存储设备7中的氢通过阀装置8以计量的方式供应给燃料电池2的阳极室5。为了能始终为燃料电池2的所有区域供应足够量的氢，典型地可把比可在阳极室5中转化的氢更多的氢导入阳极室5中。然后，留下的剩余氢通过再循环管路9和再循环输送设备10回到阳极室5的入口区域中。剩余氢和来自氢存储设备7的新鲜的氢一起从那里重新流入阳极室5的区域中。由现有技术普遍已知了该所谓的阳极循环。在该阳极循环中，随着时间的流逝积聚了氮或惰性气体，氮或惰性气体从阴极室3穿过膜4扩散入阳极室5中。此外，在再循环管路9的区域中出现了产生于阳极室5中的水。尽管该水不像在阴极室3中产生的产物水那样大量，然而通过循环引导，在循环回路中积聚了惰性气体和水。循环回路中的水和惰性气体越多，氢的浓度就越小，从而在这方面而言燃料电池2的性能随着时间流逝遭到损害。因此，为了通过排放管路12排出水和/或惰性气体，设置了排放阀11。其中，来自阳极室5的排气被输入送往阴极室3的送入空气中。由于通过排放阀11总是也把一定量的剩余氢携带排出，所以该剩余氢可以在阴极室3中在电催化器上消散，从而使其不到达环境中。由燃料电池系统1的现有技术也普遍已知了这种处理方式。

现在，空气输送设备6后的被输送至燃料电池2的空气相应地热且干燥。因此，空气首先流过被设计为气体-气体热交换器的增压空气冷却器13，该增压空气冷却器通过来自阴极室3的冷的排出空气相应地冷却热的送入空气。此外，送入空气流过加湿器14，该加湿器设计为具有水蒸气可透过的膜片。在加湿器14中，目前已冷却然而仍干燥的送入空气经过该水蒸气可透过的膜片被来自阴极室3的潮湿的排出空气润湿。因此，相对较冷且潮湿的空气到达阴极室3中。包含在该空气中的氧——至少部分地——转化，且由于空气中的湿度使膜4相应地保持湿润，从而使膜不会干燥。这对于膜4的性能和其完好性和/或密封性来说是重要的。

在流过增压空气冷却器13之后，来自阴极室3的排出空气到达涡轮机15中，排出空气在该涡轮机中膨胀，以便重新回收利用一部分当在空气输送设备6中压缩送入空气时所消耗的压力能。在此，涡轮机15通过轴16与空气输送设备6连接。此外，在轴16的区域中布置有电机17。在需要时，通过该电机17可以相应地驱动空气输送设备6。在涡轮机15上产生的功率通过轴16同样用于驱动空气输送设备6。如果空气输送设备6不需要或仅需要最小量的功率，尤其是小于在涡轮机15的区域中产生的功率，则电机17也可以作为发电机运行，以便把通过涡轮机15获得的功率转化为电功率。则该电功率又可用于驱动其它部件和/或存储在电能存储设备中，从而在需要时再次用于处于电动机运行中的电机17或燃料电池系统1区域中的其它电负载。

到目前为止所描述的结构由现有技术已知。例如，燃料电池系统1可以设计为固定不动的燃料电池系统。然而，该燃料电池系统尤其还可以用于驱动运输工具，即水上、陆上或空中的任意运动工具。该燃料电池系统1的优选的应用尤其在于用于在机动车例如客车或载货汽车中提供电驱动能。特别地，在这些情况中要求，燃料电池系统即使在温度低于冰点时也能可靠地工作，尤其是，当在温度低于冰点的情况下起动时，燃料电池系统1能够快速且可靠地起动。为此，由现有技术普遍已知了，尤其在燃料电池系统1停止工作时，必须将燃料电池系统1带到一能安全且可靠地重起动的状态。如果在温度低于冰点时发生停止工作，或如果在燃料电池系统1停止工作之后，在燃料电池系统1重起动之前温度会下降至冰点之下，则这尤其适用。在这些情况中，燃料电池系统1区域中的液态的水(该水作为产物水高纯度地出现并因此在0℃时便已结冰)会在管路和/或功能部件中结冰。涡轮机15尤其会被结冰的液滴阻碍，从而燃料电池系统1不能重起动，或仅在涡轮机15费时费力地除霜/解冻后才能重起动。当涡轮机15通过轴16与空气输送设备6固定地连接时，情况尤其如此，这是因为不仅涡轮机15，而且空气输送设备6也被结冰的液滴相应地阻碍。

因此，由现有技术普遍已知了，相应地冲洗燃料电池系统1，以便例如在燃料电池系统1的关断程序中排出并干燥湿气。因此，燃料电池系统1在关断后处于干燥状态。这意味着，不再存在可能冷凝的水蒸气，且不再存在可能在燃料电池系统1的关键位置处结冰和堵塞管路元件的液态水。这种情况尤其适用于增压空气冷却器、加湿器和燃料电池本身的阴极室3。原则上，这也适用于阳极室。然而，因为本发明仅探讨燃料电池2或燃料电池系统1的阴极侧，所以在此不详细叙述。

现在，通过来自空气输送设备6的压缩空气来实施对燃料电池系统1的阴极侧的冲洗。所述空气被挤压通过增压空气冷却器13、加湿器14和燃料电池2的阴极室3，并在其逸出至燃料电池系统1的环境中之前通过排出空气管路到达涡轮机15的区域中。现在，为了使所有部件、尤其是在上述顺序中最后提到的涡轮机15没有液态水和水蒸气，需要相对较大量的空气质量，因此当在空气输送设备6中压缩所需的空气时产生了相应高的能量消耗。此外，大的空气质量和干燥空气的由此决定的大的体积流量尤其使燃料电池2的膜4极强烈地被干燥，因此这种方法直至涡轮机15为止的实施是干燥的，至少长期看来损害了燃料电池2的膜4。

因此，根据本发明的方法，通过阀装置18，即所谓的系统旁路阀，至少在冲洗持续一定时间之后，建立空气输送设备6与在到达涡轮机15之前的排出空气之间的连接。由此产生一空气路径，该路径与通过部件13、14和3的路径相比具有较小的压力损失。空气的大部分通过系统旁路阀18直接由空气输送设备6进入涡轮机15的区域中，并相应地干燥涡轮机。这可利用相对较小的能量消耗来实现，并使得能够在燃料电池2的膜4被干燥至一对于稍后的重起动足够的湿度水平后，相应地保护所述膜4。

原则上当然也可以设想，不仅把系统旁路阀18直接布置在空气输送设备6的出口与涡轮机15的入口之间，而且将该系统旁路阀作为送入空气管路的连接部布置在例如增压空气冷却器13与加湿器14之间，或者也布置在加湿器14与燃料电池2的阴极室3之间。这通过图1中的可选的系统旁路阀18’和18”示出。原则上还可以设想，不是仅布置一个系统旁路阀18，而是在两个或所有三个位置处设置自身的阀装置18、18’、18”。然后可以根据各个部件的期望的干燥度相继地关闭这些阀装置，从而使得仅待干燥的部件必须被经空气输送设备6输送的空气流过。因此保证了冲洗过程的适度且能效高的流程。

利用干燥空气冲洗燃料电池系统1或其阴极侧的首要目的在于，在燃料电池系统1关断之后立即使燃料电池系统1转变到一状态，在该状态中可以最佳地且极快速地重新起动燃料电池系统1。替代地或补充地，这种冲洗过程也可以在燃料电池系统1的运行期间进行，尤其是当温度即燃料电池系统1的环境温度低于冰点时，或者当温度低到可以预期不久之后温度即会降至冰点之下时。这种偶尔的冲洗可以类似于上述冲洗过程例如通过打开系统旁路阀18和干燥涡轮机15来进行，从而当涡轮机在配备有燃料电池系统1和起步-停车控制装置的车辆的停车阶段期间处于怠速运行中或例如处于待机运行中时，阻止了涡轮机区域内的水结冰。于是通过经系统旁路阀18利用最小的能量耗费进行的干燥，可以阻止这种结冰，这是因为被阻碍的涡轮机15通常也阻碍了排出空气和可能还有空气输送设备6，并进而使燃料电池系统1不能运行或至少使运行明显变得困难。

燃料电池2本身、增压空气冷却器13和加湿器14在此典型地位于系统内部，并具有相对较大的质量，因此在那里在短暂的停机阶段期间无需担心结冰。然而，涡轮机通常和空气输送设备一起位于燃料电池系统外部，因此在那里在短暂的待机阶段期间就存在结冰的风险。所以，通常通过系统旁路阀18仅冲洗涡轮机就足够了。

原则上，对于在关断时的冲洗也可以设计为，仅在温度低于冰点时或者在极低的温度(其可以预期，直至重起动为止温度会降低至冰点之下)时进行冲洗。然而这种诊断极难，因为会出现例如在车辆停车时高的日间气温和与日间气温偏差极大的低于冰点的夜间气温。当在次日清晨才进行重起动时，会发生系统的结冰。因此，根据本发明方法的一种优选的实施形式，当最终较长时间地关断时在所有情况下都进行对系统的冲洗。

图2示出一另选的燃料电池系统1，该燃料电池系统1同样可使用根据本发明的用于冲洗的方法。因此，下面仅探讨图2的燃料电池系统相对于图1的燃料电池系统1的区别。例如，第一个区别在于，这里增压空气冷却器13和加湿器14组合为一个单独的结构单元。这种结构单元典型地也被称为焓交换器。此外，用于来自阳极室5的排气的排放管路12不通入送往阴极室3的送入空气中，而是通入气体管路19中，该气体管路19还通过阀装置20与氢存储设备7连接。气体管路19通入排出空气的区域中，更确切地说，通至燃烧器21之前，该燃烧器用于燃烧排气中的剩余氢和/或经阀装置20输入的可选的氢。在此，燃烧器21可以设计为气孔燃烧器或尤其为催化燃烧器。该燃烧器能够相应地升高排出空气中的温度，以便提高涡轮机15的效率，并因此减少通过电机17所需的、用于对空气输送设备6中的空气进行压缩的功率。

此外，根据图2的设计方案的燃料电池系统1可以恰如上述燃料电池系统那般运行。尤其是，在关断时或在合适的运行状态中可以进行冲洗，以相应地干燥燃料电池系统1或燃料电池系统1的阴极侧。

Claims (11)

1.一种用于运行燃料电池系统的方法，所述燃料电池系统具有至少一个燃料电池以及送入空气侧的空气输送设备和排出空气侧的涡轮机，其中至少在关断程序期间用来自所述空气输送设备的空气冲洗所述燃料电池系统，其特征在于，在所述冲洗期间，建立所述空气输送设备(6)与位于燃料电池(2)和涡轮机(15)之间的所述排出空气侧之间的连接。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述燃料电池系统(1)关断之后立即进行所述冲洗。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，当所述冲洗已经持续了一定时间后，才建立所述空气输送设备(6)与所述排出空气侧之间的所述连接。

4.根据权利要求1、2或3所述的方法，其特征在于，仅当环境温度低于预定值时，才进行所述冲洗。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其特征在于，额外地在所述燃料电池系统(1)的运行期间偶尔进行所述冲洗。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，根据从上一次冲洗之后的运行持续时间和所述环境温度来触发所述偶尔的冲洗。

7.根据权利要求5或6所述的方法，其特征在于，在所述燃料电池系统(1)的合适的运行状态中触发所述偶尔的冲洗。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的方法，其特征在于，所述空气输送设备(6)至少部分地通过所述涡轮机(15)驱动。

9.根据权利要求1至8中任一项所述的方法，其特征在于，选择性地用于电动驱动或用作发电机的电机(17)至少间接地与所述空气输送设备(6)和所述涡轮机(15)连接。

10.根据权利要求1至9中任一项所述的方法，其特征在于，所述方法用于运行运输工具、尤其是机动车中的燃料电池系统(1)。

11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述燃料电池系统(1)用于驱动所述运输工具。

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