CN109845010B - 燃料电池系统和操作燃料电池系统的方法 - Google Patents

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Abstract

一种燃料电池系统(1)包括至少一个具有第一和第二供电端子(101,102)的燃料电池模块(10)，该供电端子(101,102)在燃料电池模块的操作期间具有施加到其上的电输出电压(UA)并且被配置连接电力负载(2)，还包括连接至少一个燃料电池模块(10)以可调节的空气量向燃料电池模块(10)供应作为用于产生燃料电池模块的输出电压(UA)的反应物之一的空气(51)的空气供应装置(40)，还包括连接至少一个燃料电池模块(10)和连接空气供应装置(40)的控制装置(30)，其用于控制至少一个燃料电池模块(10)在第一和第二供电端子(101,102)处的输出功率和用于调节由空气供应装置(40)供应的空气量，控制装置(30)被配置以检测负载(2)的负载需求，并且根据检测到的负载需求控制至少一个燃料电池模块(10)的输出功率，同时根据检测的负载需求基于特定空气比以空气比控制的方式调节和更新由空气供应装置(40)提供的空气量。

Description

燃料电池系统和操作燃料电池系统的方法
技术领域
本发明涉及一种包括多个燃料电池模块的燃料电池系统和一种操作该燃料电池系统的方法。
背景技术
燃料电池由氢气和氧气产生电能。氧气通常以空气(特别是环境空气)的形式供应，氢气从储藏器供应或本地生成，例如从甲醇中生成。燃料电池通常组合在一起形成一个或多个燃料电池堆，并且带有许多外围部件，例如用于供应新鲜操作气体和冷却水的管路，用于排放和/或再循环用过的操作气体和冷却水的管路，传感器，阀门，控制装置，开关，加热器等，没有它们，燃料电池不可能完成操作，也构不成燃料电池模块。这些部件中的一些部件设有保护盖，壳体或护套，并且所有部件或至少大部分部件尽可能紧凑地组装并与燃料电池一起容纳在壳体中。
在一个典型应用中，功率转换器连接在一个或多个燃料电池模块(多个燃料电池模块互连，例如，组成一个燃料电池组)和电力负载(如耗电器，例如一个电动机)之间，其一方面匹配并调节燃料电池模块的输出电压一致于负载的电压，另一方面根据负载需求匹配和调节负载电流。一种典型的连接在燃料电池模块和负载之间的功率转换器，例如DC-DC转换器，包括开关半导体部件，例如功率晶体管，其根据负载电流进行控制和切换以提供与负载需求一致的相应的输出电压或相应的负载电流。取决于具体应用的该DC/DC转换器，在操作中相对昂贵且有损，从而增加了操作的成本。
发明内容
本发明的目的是提供一种包括至少一个燃料电池模块的燃料电池系统，以及一种操作该燃料电池系统的方法，该方法可以节省操作的成本。
本发明涉及根据独立权利要求的一种包括至少一个燃料电池模块的燃料电池系统以及一种操作该燃料电池系统的方法。在从属权利要求中示出了有利的实施例和进一步的改进。
根据第一方面，本发明涉及一种包括至少一个燃料电池模块的燃料电池系统，该燃料电池模块具有第一和第二供电端子，该供电端子在燃料电池模块操作期间具有施加到其上的电输出电压并且被配置连接电力负载，还包括连接至少一个燃料电池模块用于将可调节空气量的空气供应到燃料电池模块的空气供应装置，该空气作为用于产生燃料电池模块输出电压的反应物之一，还包括连接至少一个燃料电池模块和连接空气供应装置的控制装置，其用于控制至少一个燃料电池模块在第一和第二供电端子处的输出功率和用于调节由空气供应装置供应的空气量。控制装置被配置以检测负载的负载需求，并且根据检测到的负载需求控制至少一个燃料电池模块的输出功率，同时根据检测的负载需求基于特定空气比以空气比控制的方式调节和重新调节或更新由空气供应装置提供的空气量。
因此有可能的根据本发明可以省去连接在燃料电池模块和负载之间的功率转换器，例如DC/DC转换器。根据本发明，依据检测的负载需求至少一个燃料电池模块的输出功率被控制，该控制是通过依据检测的负载需求调节和更新由空气供应装置供应的空气量实现。
根据本发明，特别提供的是使用氧化剂的化学计量(空气中含有的氧气)作为中间功率转换器的替代物。特别地，空气比的调节在适合于调节和更新输出电压的某些限制内，并因此适合于燃料电池系统的性能，而不会对燃料电池堆造成持久损坏。因此，负载可以直接连接到燃料电池模块，并且模块的输出功率通过其空气供应来调节。
根据另一方面，本发明涉及一种操作上述类型燃料电池系统的方法，该燃料电池系统包括至少一个具有第一和第二供电端子的燃料电池模块，该供电端子在燃料电池模块操作期间具有施加到其上的电输出电压并且被连接到电力负载，所述方法包括以下步骤：-通过空气供应装置以可调节的空气量向燃料电池模块供应作为用于产生燃料电池模块的输出电压的反应物之一的空气，
-检测负载的负载需求，和，
-依据检测的负载需求，通过依据检测的负载需求进行空气比控制调节和重新调节或更新由空气供应装置供给的空气量来控制至少一个燃料电池模块的第一和第二供电端子处的输出功率。
特别地，控制装置被配置并基于特定空气比以空气比控制的方式调节由空气供应装置提供的空气量，以控制至少一个燃料电池模块的输出功率。
特别地，根据一个实施例，控制装置被配置以空气比控制的方式于空气比在1和2之间调节由空气供应装置供应的空气量。根据一个实施例，由空气供应装置供应的空气量以空气比控制的方式于空气比在1.5和2之间调节。
根据一个实施例，依据存储在控制装置中的空气比对输出电压特性，至少一个燃料电池模块的输出电压以空气比控制的方式被调节。
特别地，控制装置具有存储在其中的空气比对输出电压特性，并且控制装置被配置依据空气比对电压特性以空气比控制的方式调节至少一个燃料电池模块的输出电压。
依据一个实施例，控制装置具有存储在其中的第一和第二空气比对输出电压特性，并且控制装置被配置以空气比控制的方式在第一和第二空气比对输出电压特性的范围内调节至少一个燃料电池模块的输出电压。
例如，第一空气比对输出电压特性表示负载需求的最小允许变化，第二空气比对输出电压特性表示负载需求的最大允许变化。
根据一个实施例，用于控制至少一个燃料电池模块的输出功率的控制装置,其被配置依据检测的负载需求调节由空气供应装置供应的空气量，仅用于大于至少一个燃料电池模块的最大允许负载电流的10％的负载需求。
根据一个实施例，空气供应装置包括空气压缩机。
上文和下文中描述的控制装置的功能也可以类似地在各个方法步骤描述的方法中使用。本公开中描述的所有实施例和示例也可类似地适用于这种操作方法。
具体实施方式
在下文中，将参考唯一的附图以实施例的形式更详细地解释本发明。
该图示出了根据本发明的方面的燃料电池系统的示例性实施例。
燃料电池系统1包括至少一个燃料电池模块10。燃料电池系统也可包括多个互连的燃料电池模块。例如，如本领域技术人员所熟知的，燃料电池模块可以并联或串联连接，或者以两者的组合连接。燃料电池模块10(燃料电池系统1包括多个互连的燃料电池模块的情况下)具有第一供电端子101和第二供电端子102，其被配置连接电力负载2。在如图所示的连接状态下，燃料电池模块10的供电端子101和102具有施加到其上的输出电压UA，以向负载2提供负载电流IL。负载2通常可能包括，例如，一个或多个耗电器(例如电动机)，一个或多个与耗电器相关联的功率转换器(例如一个功率供给物或类似的)，和/或电力负载电路的其他电气部件，和代表在消耗侧连接燃料电池模块10用于接收负载电流的电气部件。
特别地，负载2和至少一个燃料电池模块10的两者之间没有连接的功率转换器(例如DC/DC转换器)，功率转换器是被提供用于依据检测的负载2的负载需求调节和重新调节或更新至少一个燃料电池模块的输出功率。相反的，这通过控制装置30和空气供应装置40与燃料电池模块10的创造性协作来完成替代，这将在下面更详细地描述。
燃料电池系统1的控制装置30，一方面，基于燃料电池模块的测量的负载电流(输出电流)IL用于检测至少一个燃料电池模块10的操作状态。另一方面，控制装置30连接燃料电池模块10用于控制燃料电池模块10的操作。为此，控制装置30通过控制管路22电连接到燃料电池模块10，并且适于单独地接通所述模块以在燃料电池系统1中进行操作，也适于单独地将其关闭或者也可以单独控制或调节其电气参数，例如模块输出电压，电流和/或功率输出。为此目的，技术人员可以在控制装置30和燃料电池模块10之间的相互作用中利用控制或调节机构，这是本领域公知的。例如，通过管路22供应的诸如氢气和空气(氧气)的化学反应物由控制装置30单独调节和控制，以控制相应的操作范围(图中未示出)。
此外，可以提供连接到燃料电池模块10并且适于测量燃料电池模块10负载电流的测量装置。在本实施例中，控制装置30具有设置在其中的测量模块(未示出)，该测量模块可以以硬件或软件或其组合实现，并且可以测量燃料电池模块的负载电流IL。在本示例性实施例中，控制装置30包含，例如，微处理器，该微处理器通过analog/数字接口接收各自所需的参数并计算相应的输出变量。作为负载2负载需求(此处为需要的负载电流)特征的一个或多个参数经由线路23传输到控制装置30。
此外，提供了连接至少一个燃料电池模块10的空气供应装置40,用于将空气51(这里是环境空气)以可调节空气量供应到燃料电池模块10。空气51用于提供燃料电池的一种反应物(这里是氧化剂氧O2)，燃料电池将连续供应的燃料(这里是氢)和氧化剂(氧气)的化学反应能转换成电能，从而产生燃料电池模块10的电输出电压UA。空气51通过入口41引入空气供应装置40，例如空气压缩机。空气压缩机40传送供应的空气51至一个或多个燃料电池堆，空气中含有的氧气与氢气反应以在化学反应中产生输出电压UA。通过出口42，使用过的和未消耗的空气52被引导离开燃料电池堆并从燃料电池模块10排出。空气压缩机40经由管线21连接到控制装置30并且可以通过该管线由控制装置30控制，使得可以以单独调节的方式改变供给燃料电池模块10的空气51的空气量。如下面更详细地解释的那样，以空气比控制的方式完成，其中控制装置30连接相应的测量装置(未示出)，该测量装置用于测量相应燃料电池堆的燃料电池模块10中占主导的空气比。
根据本发明的一个实施例，氧化剂氧气的化学计量用于控制燃料电池10的输出功率并依据负载2的负载需求重新调节或更新它。空气比的控制或调节在一定限制内，适合于降低输出电压并因此降低燃料电池系统的功率，而不会对燃料电池堆造成持久的损坏。总之，可省去燃料电池模块10和负载2两者之间的负载电流控制的DC/DC转换器，其中负载2直接电连接燃料电池模块10，并且燃料电池模块的功率通过其空气供应来调节。
根据一个实施例，操作点根据存储在控制装置30中的化学计量输出电压特性而改变。化学计量通常理解为意指化学反应中反应物的过量供应或供应不足。当反应物的供给量与化学反应的比例相同时其为1.0。因此，对于燃料电池,存在H2化学计量和O2化学计量。对于反应器与大气氧气一起工作(例如汽车)，后者也称为“空气比”(λ)(lambda)。在燃料电池中，为获得接近100％的功率，通常的空气比在1.5和2之间。因此，空气供应装置40提供的空气(氧气)是反应中实际需要的一倍半到两倍。如果此窗口扩展到非常低的值，低至λ＝1，极端情况下输出电压以及燃料电池模块的功率将降至零(见图)。通过调节供应空气的空气量(和因此的空气比)，燃料电池模块的燃料电池的电池电压可以增加或减少(因为与氢气的化学反应受到影响)，导致可变电流流向负载，从而导致间接的功率控制。
如图中示意性所示，一个或多个空气比对输出电压特性13,14存储在控制装置30中，其中燃料电池模块10的输出电压UA,基于根据相应的空气比对输出电压特性的λ,以空气比控制的方式被调节。特别地，在本实施例中，分别存储第一和第二空气比对输出电压特性13和14。第一空气比对输出电压特性13表示负载需求的最小允许变化，第二空气比对输出电压特性14表示负载需求的最大允许变化。该图示出了作为空气比λ函数的相关的燃料电池输出电压UR。相关的燃料电池输出电压UR基于额定运行时的电压值(＝100％)，并且定性地对应于输出电压UA的过程。区域11识别扩展的操作范围，相对于额定功率，相关输出功率变化约为60％至90％。通过将空气比λ设定在1.0和1.5之间，可以在该操作范围内以空气比控制的方式调节燃料电池模块的输出电压以及输出功率。区域12识别操作范围,相对于额定功率,相关输出功率变化大约10％至15％的。通过将空气比λ设定在1.5和2.0之间，可以在该操作范围内以空气比控制的方式调节燃料电池模块的输出电压以及输出功率。总的来说，燃料电池模块10的输出功率的大约10％至100％的范围18因此可以由空气51的空气比控制供应所覆盖。
在本实施例中，控制装置30在第一和第二空气比对输出电压特性13,14之间的操作范围15中以空气比控制的方式调节燃料电池模块10的输出电压UA。例如，操作点16设定在该范围15内。跨度17表示空气比λ为1.0允许负载需求的范围。
根据本发明，功率控制有利地通过空气供应(或反应化学计量)代替通过诸如DC/DC转换器的功率电子部件来实现，因此可以省去功率电子部件，这显着降低了操作成本。相反，有效地调节空气压缩机40的控制，并因此调节了通过燃料电池模块10的空气量。前提条件是负载2的工作电压的可接受范围直接对应于燃料电池模块10的供电电压范围，因为不仅通过不再存在的DC/DC转换器来调节功率需求被消除了，也使得燃料电池模块的输出电压与耗电器或负载的允许工作电压相匹配。因此，本发明特别适用于燃料电池模块和耗电器或负载的电压水平在负载范围内一致的应用。
特别地，可以指定以下操作限制：
-在λ＝1和λ＝2(特别是1.0和2.0)之间改变空气比；
-适用于高于燃料电池模块最大允许负载电流的10％的负载电流IL。
人们可能认为空气比为1.0必须满足100％的燃料电池功率，并且功率仅下降到低于该值。然而，由于扩散损失，必须始终在实际燃料电池系统中使用显著大于1的空气比，以使扩散损失减小到零。在λ＝2.0时，这在现有技术中以足够的精度给出。低于该值的所有值都导致电压和之后的功率降低，这与现有技术相比在λ＝1.0时几乎达到100％。确切的值取决于详细的电池设计和燃料电池的材料选择。这些可以由技术人员针对特定应用和操作条件适当地选择和确定。
对于燃料电池系统，通常依据特定于区域的电流密度(精确值取决于设计和操作管理)确定最大允许负载电流。然而，还存在下限，低于下限，燃料电池离开为反应管理的设计范围。这是现有技术中最大允许负载电流的大约10％，并且是上述适当限制的原因。

Claims (10)

1.一种燃料电池系统(1)，包括：
-至少一个燃料电池模块(10)，其具有的第一和第二供电端子(101,102)在燃料电池模块的操作期间具有施加到其上的电输出电压(UA)并且被配置连接电力负载(2)，
-空气供应装置(40)，其连接至少一个燃料电池模块(10)用于以可调节的空气量向燃料电池模块(10)供应作为用于产生燃料电池模块(10)的输出电压(UA)的反应物之一的空气(51)，
-控制装置(30)，其连接至少一个燃料电池模块(10)和连接空气供应装置(40)，用于控制至少一个燃料电池模块(10)在第一和第二供电端子(101,102)处的输出功率和用于调节由空气供应装置(40)供应的空气量，
-其中，控制装置(30)被配置以检测负载(20)的负载需求，并且根据检测的负载需求控制至少一个燃料电池模块(10)的输出功率，同时根据检测的负载需求基于特定空气比以空气比控制的方式调节和更新由空气供应装置(40)提供的空气量，其中，控制装置(30)具有存储在其中的空气比对输出电压特性(13,14)，并且控制装置(30)被配置依据空气比对输出电压特性(13,14)以空气比控制的方式调节至少一个燃料电池模块(10)的输出电压(UA)并从而调节至少一个燃料电池模块(10)的输出功率，其中，负载(2)直接电连接至少一个燃料电池模块(10)，负载(2)和至少一个燃料电池模块(10)之间没有连接的功率转换器，并且至少一个燃料电池模块(10)的输出功率通过其空气供应来调节以作为中间功率转换器的替代物。
2.根据权利要求1所述的燃料电池系统，
其特征在于，控制装置(30)被配置以空气比控制的方式于空气比在1和2之间调节由空气供应装置(40)供应的空气量。
3.根据权利要求1所述的燃料电池系统，
其特征在于，控制装置(30)被配置以空气比控制的方式于空气比在1.5和2之间调节由空气供应装置(40)供应的空气量。
4.根据权利要求1所述的燃料电池系统，
其特征在于，控制装置(30)具有存储在其中的第一和第二空气比对输出电压特性(13,14)，控制装置(30)被配置以空气比控制的方式在所述第一和第二空气比对输出电压特性(13,14)之间的范围(15)内调节至少一个燃料电池模块(10)的输出电压(UA)并从而调节至少一个燃料电池模块(10)的输出功率。
5.根据权利要求4所述的燃料电池系统，
其特征在于，第一空气比对输出电压特性(13)表示负载需求的最小允许变化，第二空气比对输出电压特性(14)表示负载需求的最大允许变化。
6.根据权利要求1所述的燃料电池系统，
其特征在于，用于控制至少一个燃料电池模块(10)的输出功率的控制装置(30),其被配置依据检测的负载需求调节由空气供应装置(40)供应的空气量，仅用于大于该至少一个燃料电池模块(10)的最大允许负载电流的10％的负载需求。
7.根据权利要求1所述的燃料电池系统，
其特征在于，空气供应装置(40)包括空气压缩机。
8.一种操作燃料电池系统(1)的方法，该燃料电池系统(1)包括至少一个燃料电池模块(10)，其具有的第一和第二供电端子(101,102)在燃料电池模块的操作期间具有施加到其上的电输出电压(UA)并且被配置连接电力负载(2)，所述方法包括以下步骤：
-通过空气供应装置(40)以可调节的空气量向燃料电池模块(10)供应作为用于产生燃料电池模块的输出电压(UA)的反应物之一的空气(51)，
-检测负载(2)的负载需求，和，
-依据检测的负载需求，通过依据检测的负载需求进行空气比控制调节和更新由空气供应装置(40)供给的空气量来控制至少一个燃料电池模块(10)的第一和第二供电端子(101,102)处的输出功率；
其中，依据存储在控制装置(30)中的空气比对输出电压特性(13,14)，至少一个燃料电池模块(10)的输出电压(UA)并从而至少一个燃料电池模块(10)的输出功率以空气比控制的方式被调节，其中，负载(2)直接电连接至少一个燃料电池模块(10)，负载(2)和至少一个燃料电池模块(10)之间没有连接的功率转换器，并且至少一个燃料电池模块(10)的输出功率通过其空气供应来调节以作为中间功率转换器的替代物。
9.根据权利要求8所述的方法，
其特征在于，输出功率以空气比控制的方式于空气比在1和2之间被控制。
10.根据权利要求8所述的方法，
其特征在于，输出功率以空气比控制的方式于空气比在1.5和2之间被控制。
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