CN112585790A - 燃料电池系统的启动准备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于交通工具(1)中的燃料电池系统(2)的启动准备方法，对此在交通工具(1)停放后根据温度限值(TG)来执行启动准备程序。根据本发明的方法的特征在于，对于燃料电池(3)在先前的运行中尚未达到其正常工作温度(T0)并且温度(T)降至低于规定的温度限值(TG)时，该燃料电池系统(2)运行直至达到其正常工作温度(T0)并且随后接着执行该启动准备程序。

Description

燃料电池系统的启动准备方法
技术领域
本发明涉及一种根据权利要求1的前序部分所详细定义的类型的、用于交通工具中的燃料电池系统的启动准备方法。
背景技术
从现有技术中已知燃料电池系统。该燃料电池系统例如可以安装在车辆中以提供电驱动功率。在此，燃料电池系统的问题之一在于，在工作期间在燃料电池系统中出现高纯水。如果现在出现低于冰点的温度(这尤其在车辆应用中不可避免地发生)，则燃料电池系统会冻结并在重新启动过程中可能引发相应问题，或者可能需要很长时间，才能启动燃料电池系统。这是因为以下事实，即，由于水分冷凝并冻结，例如气体管线和/或阀可能被堵塞且其它部件的功能可能因结冰而受损。
为了解决该问题，从现有技术中已知，为了在燃料电池系统关停时使燃料电池系统为启动过程作好准备，故执行启动准备程序以从燃料电池系统中排出水和湿气。一般，燃料电池系统在此用气体来吹扫，气体例如通过空气输送装置和/或氢气再循环风机或其它类型的风机来输送。由此，湿气从燃料电池系统中被吹出，并且能够将可能有的水分离器等清空和冲扫，以便在这里也尽可能多地除去湿气。现在的情况是：燃料电池系统在停机和随后的关断过程中通常还是很热的，以致蒸汽或许残留在燃料电池系统中，该蒸汽随后仍会凝结并且也会因温度随后降至低于冰点而导致上述问题。
因此，作为上述启动准备程序的补充或替代，从其它现有技术中也知道了，在燃料电池系统的停止状态下执行启动准备程序。为此，例如当环境温度降到低于规定限值时，燃料电池系统被唤醒以随后执行启动准备程序并干燥系统。不同于在燃料电池系统关停之后马上干燥，这种通常也称为温湿度控制或停机温湿度控制的启动准备程序具有以下优点，即，后来还冷凝出的水可以被一并去除。因此，执行这两个程序也是完全有意义的。与此相关，纯示例性地可以参考文献DE 10 2016 116 214 A1。
文献DE 10 2013 017 543 A1描述了在燃料电池系统关闭前将负载状态划分为不同级别，然后根据所述级别来确定启动准备程序用时，以便因此例如在高湿度运行中比在低湿度运行中更强劲地干燥。总之，这样做的成本通常仍然相当高。
此外，从文献DE 10 2012 023 799 A1中已知一种方法，其中，燃料电池系统不是借助空气吹扫而是主要通过负压来干燥。这也是从现有技术中已知的多种可能性之一。
发明内容
现在，本发明的目的在于提供一种改进的用于交通工具中的燃料电池系统的启动准备方法，该方法在任何情况下都保证燃料电池系统的充分干燥。
根据本发明，该目的通过一种具有权利要求1的、在此特别是在权利要求1的特征部分中所述的特征的、用于交通工具中的燃料电池系统的启动准备方法来完成。有利的设计方案和改进方案来自其从属权利要求。
在根据本发明的启动准备方法中是：当燃料电池在先前运行中尚未达到其正常工作温度/运行温度并且当前温度降到低于规定的温度限值时，首先运行燃料电池系统，直至它达到其正常工作温度，然后执行启动准备程序。因此，根据本发明的方法仅查询温度，这是极其简单的且可以利用简易、耐用且廉价的传感器很可靠地实现。如果燃料电池系统在运行中已达到其正常工作温度，就像从现有技术中知道的那样，在达到限定温度时开始常规的启动准备方法。如果交通工具中的燃料电池系统尚未达到其正常工作温度(因为交通工具仅移动经过短途或因为环境温度过低)，则在达到限定温度时先启动燃料电池系统。然后燃料电池系统运行，直到达到其正常工作温度。在交通工具的实际静止状态下，燃料电池系统的这种自动运行确保燃料电池系统在达到其正常工作温度之后根据规定条件被关断，而不必用高成本的传感器来测知工作条件、如湿度等。然后，在自动运行中(自动运行造成燃料电池系统的正常温度)，从燃料电池系统重新关断起执行启动准备程序。
在此，该构思的一个特别有利的改进方案规定，启动准备程序在再次冷却至温度限值之后进行。这确保了“在达到正常工作温度后关闭燃料电池系统”和根据本发明的方法在燃料电池系统的运行特性和启动准备程序方面是基本相同的，因此仅需维持唯一一个过程，而不需要具有难以测量的可编程值、例如湿度的成本高昂的传感器装置。相反，简单而耐用的温度传感器就足以执行启动准备程序，并且根据需要执行本发明的方法，前提是燃料电池系统在先前运行中还未达到正常工作温度。
在此，正常工作温度可被设定为在例如60℃和70℃之间的值，优选约为65℃，这对应于在PEM燃料电池中的常见工作温度。温度限值例如可被设定在约5℃～10℃、优选约5℃。在约5℃这样的温度下(这在燃料电池系统内部且在此优选在电堆区域内测得)，可以假设：温度或许还进一步下降并且出现低于冰点的温度。从这样的5℃限定温度起执行启动准备程序，这种做法因此是相当高效的，以便一方面获知燃料电池系统有潜在冻结风险的所有情况，另一方面在存在较高外界温度的情况下正好不运行该能耗。
启动准备程序本身例如可以按照从现有技术中已知的方式进行，例如通过用空气和/或氢气吹扫燃料电池系统、通过加热和/或负压或类似的已知方式来干燥燃料电池系统。
附图说明
本发明的方法的其它有利设计来自其余的从属权利要求得到并且结合以下参照附图所详细说明的实施例阐明。
其中：
图1示出具有适于执行根据本发明方法的燃料电池系统的交通工具，
图2示出曲线图，其依据随时间t变化的温度曲线T来描述根据本发明的方法。
具体实施方式
在图1的图示中极其示意性地示出了交通工具1。交通工具1可以被设计为例如轿车、卡车、有轨车辆或用于物流目的的地面运输车辆。例如也可采用呈船或飞机形式的交通工具1。在交通工具1中有原则性示出的燃料电池系统2，其核心是燃料电池3。燃料电池3应以PEM电池单体的堆叠的形式构造，作为所谓的燃料电池堆或燃料电池电堆。在燃料电池3之内，象征性示出了阴极室4和阳极室5。为了正常运行，空气通过作为氧气供体的空气输送装置6被输送到阴极室4。排气经由排气管线7流出燃料电池系统2。燃料电池3的阳极室5通过压力控制和计量单元9被供以来自压缩气体储存装置8的氢气。阳极室5区域中出现的未使用的氢气以及惰性气体和水通过再循环管线10被送回并可与新鲜的氢气混合后再次送到阳极室5。在此，在再循环管线10中布置有再循环输送装置11，其在此处所示的实施例中被设计为氢气再循环风机或HRB(Hydrogen Recirculation Blower、氢气再循环风机)。再循环输送装置11在此也可以被实现为气体射流泵或由气体射流泵和风机构成的组合形式。另外，在再循环管线10中有水分离器12，该水分离器通过带有阀机构14的排放管线13连接至燃料电池系统2的排气管线7。因此水可以经由水分离器12和阀机构14被收集并且例如不时地被排出。同样可以想到的是，根据水分离器中的液位/充填程度或依据在所谓的阳极回路中的浓度来排水。另外，气体可以与水一起被排出，这是因为通过燃料电池3的膜从阴极室4扩散到阳极室5的惰性气体随着时间推移积聚在阳极回路中。因为在体积恒定的阳极回路内的氢气浓度将会因此降低，故必须一起排出所述气体。这可以通过其自身的管线进行或与水一起经由排放管线13和阀机构14来进行。
现在，在图1的图示中还可以看到带有阀机构16的连接管线15，该连接管线将阳极回路与通至燃料电池3的阴极室4的空气供应管线17相连。因此在阀机构16打开的情况下，可以通过连接管线15来建立在燃料电池系统2的阴极侧和阳极侧之间的连通。根据布置和设计的不同，连接管线15也可以例如被用于与排水并行地经由水分离器12和排放管线13来排放气体，其中，分支点于是通常布置在水分离器12和再循环输送装置11之间。将排放气体输入到空气供应管线17是已知且惯用的，这是因为通常总是被一并少量排出的可能有的氢气在阴极室4的催化器处发生反应，故可以避免向环境排放氢气。
针对在干燥期间用氢气吹扫阳极室5侧的情况，也可省掉带阀机构16的连接管线15，所述氢气随后借助通过阴极室4所输送的空气而在经由排气管线7释放到环境中时被相应稀释。
交通工具1中的燃料电池系统2还可以具有所谓的系统旁路17，该系统旁路使得空气输送装置6的压力侧和排气管线7可经由旁路阀8相连。排气涡轮机(在此未示出)也可布置在排气管线7中，排气涡轮机能够以机械方式与空气输送装置6和优选呈电动机/发电机形式的电机连接，或者也能够仅与发电机连接并经由该发电机与用于空气输送装置7的电动机连接。这种结构也从现有技术中知道了并且被称为电动涡轮增压器或马达辅助涡轮增压器。
现在，一旦温度、如环境温度或特别是燃料电池系统内部温度且尤其优选是燃料电池堆区域内的温度、即燃料电池3的温度降至低于例如5℃的规定温度限值时，就按照本身已知的方式借助对系统的吹扫和/或借助以加热和/或负压方式对系统的干燥来执行启动准备程序。
为了确保始终利用标准化启动准备程序——其基本无需任何输入参数就可行且因此比现有技术更简单地构成——进行充分干燥，现采取如下做法。特别是在图2的温度T随时间t变化的曲线图中可以看到该方法过程。时刻t0和时刻t1之间的第一时段表示正常运行，此时工作温度T在平均值T1附近波动，工作温度优选在燃料电池系统2的冷却水循环中可测得，因为在那里本来就安装有温度传感器。该温度值例如在短途行程中应该低于通常在燃料电池系统2或交通工具1的正常运行时所出现的温度值T0。例如可以为40％。在时刻t1，行驶运行结束并且系统关闭。其随后冷却至限定温度TG，该限定温度略高于水的冰点(在此以0℃线被画出)。如果在温度T的变化过程中、在此是在时刻t2达到温度限值TG，则通常触发启动准备程序以干燥燃料电池系统2，这是因为在达到限定温度TG时必须假定：温度进一步下降并且尤其降至低于冰点(即0℃)。但如果在燃料电池系统2的先前运行中根本没有达到正常工作温度T0，则在时刻T2不触发启动准备程序，而是在交通工具1停止期间使燃料电池系统2投入运行。与此对应地，它在此自动化运行中从限定温度TG开始升温。即，在运行阶段中在时刻t3达到例如65℃的正常工作温度T0并持续一段时间。然后，自动启动的燃料电池系统2被再次自动停止，冷却重新开始。现在，在时刻t4再次达到例如5℃的限定温度TG。但现在冷却如常见的那样从燃料电池系统2的正常温度水平T0开始。因此，系统准备程序在时刻t4开始，其相应地干燥燃料电池系统2，特别是借助上述的和从现有技术中已知的一种或多种措施。
在此处所示出的实施例中，温度随后还进一步降低，尤其在时刻t5下降到明显低于冰点的温度，该温度仅略高于在此也很低的环境温度Ta。随后在时刻t5，触发用于启动燃料电池系统2的冷冻启动程序，在这个过程中，温度T再次相对快速地升高到正常工作温度T0，并且燃料电池系统做好运行准备。由于在时刻t4开始的启动准备程序使燃料电池系统2干燥，故这可以顺利实现，因为可通过所述方法来有效防止结冰堵塞。

Claims (5)

1.一种用于交通工具(1)中的燃料电池系统(2)的启动准备方法，对此在该交通工具(1)停放后根据温度限值(TG)来执行启动准备程序，其特征在于，对于该燃料电池(3)在先前运行中尚未达到其正常工作温度(T0)并且温度(T)降至低于规定的温度限值(TG)的情况，该燃料电池系统(2)运行直至达到其正常工作温度(T0)并且随后接着执行该启动准备程序。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，仅当再次冷却至温度限值(TG)之后，才进行该启动准备程序。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，该正常工作温度(T0)设定在60℃至70℃、优选约为65℃。
4.根据权利要求1、2或3所述的方法，其特征在于，温度限值(TG)设定在0℃至10℃、优选为5℃。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其特征在于，温度(T)是在该燃料电池系统(2)内部、优选在该燃料电池区域内和/或在用于该燃料电池(3)的冷却剂区域内测得。
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