CN108780904B - 用于运行燃料电池系统的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于运行燃料电池系统的方法，其中，由至少一个氧化剂输送器将氧化剂输送至至少一个燃料电池并且当所述氧化剂输送器达到其在持续运行时的最大输送速率
Figure DDA0002917841240000011
的至少80％时，改变氧化剂的化学计量比λ。本发明还涉及一种用于运行燃料电池系统的控制装置，其中，所述控制装置设置成用于由至少一个氧化剂输送器将氧化剂输送至至少一个燃料电池，并且所述控制装置设置成用于当氧化剂输送器达到其在持续运行时的最大输送速率
Figure DDA0002917841240000012
的至少80％时改变所述氧化剂的化学计量比(λ)。

Description

用于运行燃料电池系统的方法
技术领域
在这里公开的技术涉及一种用于运行燃料电池系统的方法。
背景技术
燃料电池系统通常以接近恒定的空气系数λ运行。图1示出在燃料电池系统的压缩机的空气质量流量
Figure GDA0002917841230000014
与燃料电池系统负载之间的关联。在横坐标上标绘有电流I，至少一个燃料电池被加载所述电流。在纵坐标上标绘有氧化剂的输送速率，燃料电池系统的压缩机将所述氧化剂提供给燃料电池系统，以便该燃料电池系统可以为机动车/消耗器提供要提供的电流I或功率P。通常，压缩机具有最小转速。所述最小转速伴随着最小氧化剂输送速率
Figure GDA0002917841230000015
该最小氧化剂输送速率在“低的”第一负载要求范围A中是恒定的。在第二负载要求范围B中，其要提供的电流I或功率P高于第一负载要求范围A的电流或功率，以预先给定的空气系数λ得出输送速率，该输送速率与要提供的电流I或功率P成比例地增加。在此，示意性示出的函数的斜率代表空气系数λ。在此，所述空气系数λ是接近恒定的。第三负载要求范围C(函数用虚线示出)具有比第二负载要求范围B高的要提供的电流I或功率P。负载要求范围A、B、C的所要求的负载适宜地是所述至少一个燃料电池应该提供的或所述至少一个燃料电池被加载的电流I和/或功率P。在第三负载要求范围C中，空气系数λ也接近恒定。如果燃料电池系统在第三负载要求范围C之内提供非常大的电流I或非常大的功率P，则超过压缩机能够持久提供的最大空气质量流量
Figure GDA0002917841230000011
因此，压缩机必须在过载范围
Figure GDA0002917841230000012
内运行，以满足所述负载要求。在较高的系统负载时，根据压缩机的设计，为了保护组件可以预先给定压缩机负载的时间限制。压缩机高于最大过载氧化剂输送速率
Figure GDA0002917841230000013
的运行即使在短时间也是不允许的或不可能的。因此，要提供的电流I在此也限于Iüb(并且最终要提供的功率P也是)。因此，整个燃料电池系统的性能和持续负载能力由于压缩机构型而受到限制。
压缩机必须根据系统配置产生1至大约3巴的压缩机压力并且输送相对高的体积流量。空气压缩机在燃料电池系统中是最大的系统辅助消耗器并且显著地影响燃料电池系统的系统效率以及整个系统功率。即使用于在燃料电池系统中使用的各构件在很大程度上被优化，所使用的压缩机也是相对较贵的。因此，按系统限定的负载曲线设计压缩机的效率特性曲线族和最大功率优化是必要的。
发明内容
在这里公开的技术的优选的任务是，减少或消除已知解决方案的缺点。尤其是，优选的任务是，提出一种燃料电池系统，在该燃料电池系统中利用相当的/类似的制造费用和相当的空间需求可以输出更多的功率或可以提供更高的电流给机动车/消耗器。其它优选的任务由在这里公开的技术的有利效果得出。所述任务通过如下所述的技术方案来解决，在按照本发明的用于运行燃料电池系统的方法中，由至少一个氧化剂输送器将氧化剂输送至至少一个燃料电池，并且当所述氧化剂输送器达到其在持续运行时的最大输送速率的至少80％或至少90％或至少100％时，改变所述氧化剂的化学计量比。
在这里公开的技术涉及一种用于运行燃料电池系统的方法。这种燃料电池系统包括至少一个燃料电池。所述燃料电池系统例如设想用于移动应用、如机动车、尤其是用于为至少一个用于使机动车行走的驱动机提供能量。在其最简单的形式中，燃料电池是电化学能量转换器，该能量转换器将燃料和氧化剂转化成反应产物并且在此产生电力和热量。所述燃料电池包括通过离子选择性或离子渗透性分离器分开的阳极和阴极。所述阳极具有向阳极输入燃料的输入部。优选的燃料是氢气、低分子乙醇、生物燃料或液化天然气。所述阴极例如具有用于氧化剂的输入部。优选的氧化剂例如是空气、氧气和过氧化物。离子选择性分离器例如可以构造为质子交换膜(proton exchange membrane,PEM)。优选地使用阳离子选择性聚合物电解质膜。用于这种膜的材料例如是
Figure GDA0002917841230000032
和
Figure GDA0002917841230000033
燃料电池系统包括至少一个燃料电池以及外围系统构件(BOP构件)，所述系统构件在至少一个燃料电池运行时可以使用。通常，多个燃料电池组合成一个燃料电池堆或者堆。
根据在这里公开的方法，由至少一个氧化剂输送器将氧化剂输送至至少一个燃料电池。所述氧化剂输送器例如可以构造为压缩机或压缩器，特别优选地构造为气浮式涡轮压缩机、涡轮压缩器或者说离心压缩机。优选地，氧化剂输送器具有大约15000转/分至大约170000转/分、并且特别优选大约25000转/分至大约130000转/分的工作转速范围。氧化剂输送器与所述至少一个燃料电池的阴极流体连接。
根据在这里公开的方法，改变氧化剂的化学计量比λ，从而所述氧化剂输送器有利地受到爱护或保护。
氧化剂的化学计量比λ说明，以何因数提供比事实上对于阴极上的反应所需的氧化剂更多的氧化剂。如果空气用作氧化剂，则该氧化剂也可被称作空气比λ或者说空气系数λ。所述空气比λ设定实际上对于在所述至少一个燃料电池中的电化学反应可供使用的空气质量mL-tats与对于在所述至少一个燃料电池中完全的电化学反应需要的至少必需的化学计量空气质量mL-st成比例。因此适用于：
Figure GDA0002917841230000031
因此改变燃料电池系统的化学计量比λ，以便不损坏压缩机。已知系统在此没有设定用于燃料电池系统的运行方法，在该燃料电池系统中为此目的改变氧化剂化学计量。相反地，化学计量比λ在已知燃料电池系统的完整的负载要求范围上经常是恒定的(参见图1)。
燃料电池系统的要提供的电流I或者说要提供的燃料电池电流I(所述术语可被看作是同义词)在此是如下电流I，燃料电池系统的所述至少一个燃料电池或者说燃料电池堆由于(机动车的)消耗器被加载所述电流。例如，所述电流I可以由在驱动系统的高压总线上的至少一个消耗器要求。类似地，要提供的功率P或者说燃料电池功率P(所述术语在此同样被用作同义词)是燃料电池系统的所述至少一个燃料电池必须为至少一个消耗器、通常是高压总线系统的消耗器提供的功率P。在此，至少一个控制装置可以生成用于燃料电池系统的相应控制信号。所述燃料电池功率P由至少一个燃料电池的电压和燃料电池电流I得出。
根据构想，燃料电池系统本身的可能的消耗器(例如氧化剂输送器)可被算作高压总线系统的消耗器或算作燃料电池系统的内部消耗器。这种内部消耗器在要提供的燃料电池电流I或在要提供的燃料电池功率P中应被考虑。
在这里公开的技术涉及一种方法，据此当氧化剂输送器达到其用于氧化剂输送器持续运行的最大输送速率
Figure GDA0002917841230000041
的至少80％或至少90％或大约100％时，改变氧化剂的化学计量比λ。特别优选地，所述氧化剂输送器在此以最大输送速率输送氧化剂。所述输送速率
Figure GDA0002917841230000042
说明，每单位时间有多少氧化剂由氧化剂输送器输送。例如，为此可以考虑氧化剂的体积流量和/或质量流量。如果空气是氧化剂，则优选使用空气质量流量
Figure GDA0002917841230000043
即在一个时间单位内输送的空气质量。氧化剂输送器通常具有最大输送速率，氧化剂输送器能够以所述最大输送速率持续地、即没有时间限制地输送氧化剂，而不损坏氧化剂输送器、尤其是其驱动马达。所述最大输送速率是用于持续运行的最大输送速率。在所述持续运行中，氧化剂输送器的各组件(例如电动机、换流器等)未热过载。用于持续运行的最大输送速率由氧化剂输送器的制造商预先给定或通过试验确定。
氧化剂输送器通常设计成，短时间输送高于用于持续运行的最大输送速率的输送速率。如果氧化剂输送器必须持续地输送这种过载输送速率，则其构件(例如电动机、换流器等)会热过载并且最终损坏。氧化剂输送器的该过载能力在时间上受到限制并且与过载负荷的大小、持续时间以及频率有关。
在这里公开的技术涉及一种方法，据此为了保护氧化剂输送器，这样减小化学计量比λ，使得燃料电池系统的至少一个燃料电池提供要提供的燃料电池功率P和/或要提供的燃料电池电流I，而氧化剂输送器没有或不必将氧化剂以高于最大输送速率的输送速率输送。特别优选地，所述氧化剂输送器为此以最大输送速率输送氧化剂。
在这里公开的技术涉及一种方法，据此当氧化剂的化学计量比λ的值达到或低于化学计量比的下限值λgrenz并且所述氧化剂输送器已经以最大输送速率输送氧化剂时，所述氧化剂输送器以高于最大输送速率的输送速率输送氧化剂。在这里公开的技术尤其是涉及一种方法，据此所述氧化剂输送器以高于最大输送速率的输送速率仅在比对于氧化剂输送器最大允许的时间段短的时间段输送氧化剂。在此，所述最大允许的时间段适宜地是由制造商对于过载运行所允许的时间段。
通常，燃料电池系统可以在对于化学计量比λ来说系统特定的范围中运行。例如，该系统可以设计用于以大约1.2至2.0、优选在1.5至1.7之间的化学计量比λ运行。如果现在达到或低于化学计量比的下限值λgrenz，例如因为进一步提高的电流I或进一步提高的要提供的功率PI会要求进一步减小化学计量比λ，以便氧化剂输送器的最大输送速率
Figure GDA0002917841230000051
在持续运行时不会被超过，则可以规定，控制装置短时间仍然允许氧化剂输送器的过载运行，以便最终燃料电池系统可以继续在对于化学计量比λ来说系统特定的范围之内运行。
此外，在这里公开的技术涉及一种用于运行燃料电池系统的控制装置，其中，该控制装置构造成用于实施一个或多个在这里公开的方法。所述控制装置可以设置成用于由至少一个氧化剂输送器将氧化剂输送至至少一个燃料电池。此外，所述控制装置可以设计成用于当氧化剂输送器达到其在持续运行时的最大输送速率
Figure GDA0002917841230000052
的至少80％或至少90％或至少100％时改变氧化剂的化学计量比(λ)。
换句话说，在这里公开的技术中氧化剂输送器的持续负载能力被一起考虑。然而，在燃料电池系统的运行策略中，对于确定的范围、尤其是与燃料电池电压和系统效率有关地在负载提高时考虑相应减少的空气系数λ。通过这样适配运行策略，尽管燃料电池系统负载进一步增加，空气质量流量保持在恒定的水平(对应于压缩机的持续负载能力)。空气系数λ的下降通常引起燃料电池电压下降以及因此系统效率下降。然而，系统负载的增加通过所述措施是可能的。
具体实施方式
现在借助示意性的图2阐述在这里公开的技术。在第二负载要求范围B中，如在图1中那样，燃料电池系统以恒定的或接近恒定的化学计量比λB运行。同样，随着要由所述至少一个燃料电池提供的燃料电池电流I提高，氧化剂输送器的输送速率增加直到氧化剂输送器以最大输送速率
Figure GDA0002917841230000061
运行。如果现在要由燃料电池提供的电流I提高到高于lmax的值，则控制装置这样进行干预，使得化学计量比λ减小。这在图2中是区域B’，在该区域中化学计量比λ在此线性减小，从在第二负载要求范围B中的化学计量比λB出发直到达到化学计量比的下限值λgrenz。所述下限值λgrenz这样选择，使得燃料电池系统在高于极限值λgrenz的化学计量比时仍可以可靠地并且有效地运行。
所述至少一个燃料电池的效率可以在所述区域B’中小于在第二负载要求范围B中的化学计量比λB时燃料电池的效率。然而，该较差的效率对于在较高负载点时氧化剂输送器的可靠持续负载运行来说会被忍受。
适宜地，氧化剂输送器的过载运行在图2中被移动至较高的负载要求范围。如果在根据图1和图2的示例中使用相同的氧化剂输送器，则在图2的示例中过载范围
Figure GDA0002917841230000062
(＝具有过载的氧化剂输送器的运行)可以有利地推迟直到最大要提供的燃料电池功率Imax’。因此可能的是，由具有给定氧化剂输送器的系统提供更多的燃料电池功率。
在图1和图2中，借助要由所述至少一个燃料电池提供的燃料电池电流I描述在这里公开的技术。在一定程度上，对燃料电池电流I所列举的事实也适用于要由所述至少一个燃料电池提供的燃料电池功率P。
对本发明的以上描述仅用于解释说明的目的并不用于限制本发明的目的。在本发明的范围内，在不偏离本发明及其等同方案的范围的情况下，不同的变化和变型是可行的。
附图标记列表
过载范围
Figure GDA0002917841230000071
最大过载氧化剂输送速率
Figure GDA0002917841230000072
第一负载要求范围 A
第二负载要求范围 B
第三负载要求范围 C
要由燃料电池提供的电流 I
最大要提供的电流 Imax、Imax'
在持续运行时的最大输送速率
Figure GDA0002917841230000073
最低氧化剂输送速率
Figure GDA0002917841230000074
化学计量比 λ
负载要求范围B的化学计量比 λB
化学计量比的下限值 λgrenz

Claims (10)

1.用于运行燃料电池系统的方法，其中，由至少一个氧化剂输送器将氧化剂输送至至少一个燃料电池，并且当所述氧化剂输送器达到其在持续运行时的最大输送速率
Figure FDA0002917841220000011
的至少80％时，改变所述氧化剂的化学计量比(λ)。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，减小所述化学计量比(λ)，使得燃料电池系统的所述至少一个燃料电池提供要提供的燃料电池电流(I)和/或要提供的燃料电池功率(P)，而氧化剂输送器不以高于最大输送速率
Figure FDA0002917841220000012
的输送速率输送氧化剂。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，当氧化剂的化学计量比(λ)的值达到或超过化学计量比的下限值(λgrenz)时，所述氧化剂输送器以高于最大输送速率
Figure FDA0002917841220000013
的输送速率输送氧化剂。
4.根据权利要求3所述的方法，其中，所述氧化剂输送器仅在比对于氧化剂输送器最大允许的时间段短的时间段以高于最大输送速率
Figure FDA0002917841220000014
的输送速率输送氧化剂。
5.根据权利要求1或2所述的方法，其中，当所述氧化剂输送器达到其在持续运行时的最大输送速率
Figure FDA0002917841220000015
的至少90％时，改变所述氧化剂的化学计量比(λ)。
6.用于运行燃料电池系统的控制装置，其中，所述控制装置设置成用于由至少一个氧化剂输送器将氧化剂输送至至少一个燃料电池，并且所述控制装置设置成用于当氧化剂输送器达到其在持续运行时的最大输送速率
Figure FDA0002917841220000016
的至少80％时改变所述氧化剂的化学计量比(λ)。
7.根据权利要求6所述的控制装置，其中，所述控制装置设计成用于减小化学计量比(λ)，使得燃料电池系统的所述至少一个燃料电池提供要提供的燃料电池电流(I)和/或要提供的燃料电池功率(P)，而氧化剂输送器不以高于最大输送速率
Figure FDA0002917841220000017
的输送速率输送氧化剂。
8.根据权利要求6或7所述的控制装置，其中，所述控制装置开环控制或闭环控制氧化剂输送器，使得当氧化剂的化学计量比(λ)的值达到或超过化学计量比的下限值(λgrenz)时，氧化剂被以高于最大输送速率
Figure FDA0002917841220000021
的输送速率输送。
9.根据权利要求8所述的控制装置，其中，所述控制装置开环控制和/或闭环控制氧化剂输送器，使得氧化剂仅在比对于氧化剂输送器最大允许的时间段短的时间段被以高于最大输送速率
Figure FDA0002917841220000022
的输送速率输送。
10.根据权利要求6或7所述的控制装置，其中，所述控制装置设置成用于当氧化剂输送器达到其在持续运行时的最大输送速率
Figure FDA0002917841220000023
Figure FDA0002917841220000024
的至少90％时改变所述氧化剂的化学计量比(λ)。
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