CN114631210A - 用于运行燃料电池系统的方法、控制设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于运行燃料电池系统(1)、尤其是PEM燃料电池系统的方法，在所述方法中，通过阳极气体路径(3)将含氢的阳极气体供应给至少一个燃料电池(2)，并且从所述燃料电池(2)中排出的阳极气体通过再循环路径(4)再循环，其中，为了降低所述阳极气体中含有的氮份额而打开布置在所述再循环路径(4)中的冲洗阀(5)并且冲洗所述再循环路径(4)。根据本发明，借助至少一个传感器(6)求取所述阳极气体的实际成分，并且，通过将求取出的实际成分与目标成分和/或在较早时刻求取出的实际成分进行比较来确定所述至少一个燃料电池(2)的老化状态。本发明还涉及一种用于执行根据本发明的方法的控制设备(7)。

Description

用于运行燃料电池系统的方法、控制设备
技术领域
本发明涉及一种用于运行燃料电池系统、尤其是PEM燃料电池系统的方法。本发明还涉及一种控制设备，该控制设备实现了执行根据本发明的方法。
背景技术
借助上述类型的燃料电池系统，在使用氢气和氧气的情况下能够将化学能转化为电能。为此，燃料电池系统包括至少一个燃料电池，该燃料电池具有阳极、阴极和布置在阳极和阴极之间的电解质。如果将聚合物膜(PEM＝“Proton Exchange Membran”，质子交换膜)用作电解质，则涉及PEM燃料电池或者PEM燃料电池系统。
借助燃料电池系统获得的电能能够用作驱动能量，例如用于驱动车辆。在这种情况下，所需的氢气被携带在车辆中在合适的箱中。此外需要的氧气来自环境空气。
在燃料电池系统的运行中，燃料电池尤其是由于膜变薄和/或由于铂涂层的有效性下降而发生老化。这导致，在燃料电池的使用寿命内从阴极侧扩散到阳极侧上的氮气的量增加。以此，在阳极区域中的氮气与氢气的比例发生变化，确切地说以牺牲氢含量为代价。相应地，燃料电池系统的效率下降。
本发明基于这种任务：在燃料电池系统的运行中提高效率。
为了解决该任务说明了具有权利要求1的特征的方法。有利的实施方式由从属权利要求中获悉。此外，说明了具有权利要求10的特征的控制设备。
发明内容
在所提出的用于运行燃料电池系统、尤其是PEM燃料电池系统的方法中，通过阳极气体路径将含氢的阳极气体供应给至少一个燃料电池，并且从所述燃料电池中排出的阳极气体通过再循环路径(Rezirkulationspfad)再循环(rückgeführt)。为了降低所述阳极气体中含有的氮份额而打开布置在所述再循环路径中的冲洗阀并且冲洗所述再循环路径。根据本发明，借助至少一个传感器求取所述阳极气体的实际成分，并且，通过将求取出的实际成分与目标成分和/或在较早时刻求取出的实际成分进行比较来确定所述至少一个燃料电池的老化状态。
本发明利用先前提到的、在燃料电池的老化和与之伴随的阳极气体的氮富集之间的关系。如果已知阳极气体的成分，则在这方面能够推断出燃料电池的老化状态。如果确定老化状态是严重的，使得系统的高效运行不再是可能的，则能够进行更换。以这种方式再次提高了系统的效率。
所提出的方法的一个另外的优点在于：在了解阳极气体的实际成分的情况下，能够根据需要冲洗再循环路径。随后，冲洗过程的数量减少或者冲洗间隔变得更长。相应地，伴随每次冲洗的氢气损耗也减少。在了解阳极气体的实际成分的情况下，能够据此同时优化冲洗过程，这导致进一步的效率提高。
为了求取阳极气体的实际成分，优选启动(angefahren)限定的运行点。以这种方式保证，求取出的值是能够比较的。要启动的运行点能够例如通过系统性能、压力水平和/或阳极区域和/或阴极区域中的气体质量流量来限定。
如此求取出的实际成分能够与目标成分和/或在较早时刻同样按照根据本发明的方法已求取出的实际成分进行比较。因此，在燃料电池系统的运行中根据所述方法求取出的实际成分优选保存在数据存储器中并且可供分析处理装置使用。同样的适用于目标成分，该目标成分应当被考虑用于与求取出的实际成分进行比较。
在所提出的方法中，优选借助传感器求取阳极气体的氢含量。基于氢含量能够确定氮含量，并且由氮含量又能够推导出至少一个燃料电池的老化状态。因而，原则上仅求取氢含量就足以求取实际成分。因此，在所述方法中使用的传感器优选是氢气传感器。从现有技术中充分已知这种传感器。例如，请参阅公开文献DE102005058830A1和DE102005058832A1，它们是同一申请人的较早申请。
此外提出，借助传感器求取存在于再循环路径中的阳极气体的实际成分。即，为了求取阳极气体的实际成分使用布置在再循环路径中的传感器。
替代地或补充地提出，借助传感器求取通过冲洗阀排走的阳极气体的实际成分。在这种情况下，多个传感器或者一个传感器布置在冲洗阀后方并且因此布置在阳极区域之外。传感器能够例如布置在阴极废气路径中，通过该阴极废气路径从系统中去除冲洗量连同阴极废气。由于通常在阴极废气路径中已经存在用于确定气体成分的传感器，因此如有必要该传感器能够用于求取氢含量，使得所述方法的执行不需要附加的传感装置。
有利地，以规律的时间间隔确定至少一个燃料电池的老化状态。以这种方式能够提早对阳极气体的实际成分的变化或者对至少一个燃料电池的老化作出反应。
在本发明的扩展方案中提出，在监控至少一个燃料电池的老化状态时也考虑冲洗阀和/或传感器的老化状态。以这种方式能够提高在确定至少一个燃料电池的老化状态时的准确性。
为了确定冲洗阀和/或传感器的老化状态，优选将在限定的状态A下通过冲洗阀排走的阳极气体的氢含量与在限定的状态B下的氢含量进行比较。即，运行状态发生变化，或者，启动并且比较两个不同的运行点。然后，气体成分的变化能够归因于在确定氢含量时所使用的部件的发生变化的功能。
优选，在燃料电池系统的无负载状态下通过相对于阳极侧地降低在阴极侧上的压力达到状态A。由此防止氮气从阴极侧扩散到阳极侧上。补充地，能够打开冲洗阀并且冲洗阳极区域。
优选，在燃料电池系统的正常运行中通过启动限定的负载点达到状态B。
优选，在状态A和状态B下的氢含量在调试系统的时刻被求取并且作为参考被保存。然后，在较晚的时刻能够重新测量两个运行点。
由于状态A能够独立于至少一个燃料电池的老化状态被调设，因此通过比较在两个运行状态下执行的测量能够推断出氮量，该氮量通过膜从阴极侧扩散到阳极侧上。
此外，提出了一种控制设备，该控制设备设置用于实施前述的根据本发明的方法。借助控制设备尤其能够分析处理在所述方法中所使用传感器的传感器数据。此外，能够将分析处理的结果和/或参考保存在控制设备中，使得实现了执行所述方法所需的比较。尤其，目标成分和/或较早的实际成分能够保存在控制设备中。为此，控制设备优选包括数据存储器。同时，控制设备能够具有分析处理装置，以便实现传感器数据的必需的分析处理。此外，控制设备能够通过控制管线与冲洗阀连接，以便根据分析处理的结果操控或者打开冲洗阀并且因而冲洗再循环路径。
附图说明
下面借助附图更详细地阐述本发明。所述附图示出根据本发明的燃料电池系统的示意性图示。
具体实施方式
在附图中示意性示出的燃料电池系统1用于驱动车辆。它仅示出用于执行根据本发明的方法的燃料电池系统的一个可能实施例。
燃料电池系统包括呈堆叠布置的至少一个燃料电池2或者多个燃料电池2。通过阴极气体路径10将空气作为阴极气体供应给燃料电池系统1的阴极8，而通过阳极气体路径3将氢气作为阳极气体供应给燃料电池系统1的阳极9。
供应给阴极8的空气来自周围环境。在此之前，空气借助布置在阴极气体路径10中的压缩机12被压缩。通过同样布置在阴极气体路径10中的冷却装置17，空气在压缩之后再次被冷却并且借助下游的加湿装置18被附加地加湿。压缩机12、冷却装置17和/或加湿装置18是可选的。从至少一个燃料电池2中排出的阴极废气通过阴极废气路径11被排走。在此，阴极废气被供应给布置在阴极废气路径11中的废气涡轮机13，该废气涡轮机辅助电动马达14以驱动布置在阴极气体路径10中的压缩机12。废气涡轮机13同样是可选的。当前，阴极气体路径10和阴极废气路径11能够根据旁通阀16的开关位置地通过旁通路径15来连接。
用作阳极气体的氢气储藏在箱19中并且借助布置在阳极气体路径3中的抽吸喷射泵20供应给阳极9。再次从至少一个燃料电池2中排出的阳极气体通过再循环路径4再循环到阳极气体路径3中，使得系统不会失去该阳极气体。为此，在再循环路径4中布置再循环风扇22，该再循环风扇然而不是强制必需的。
由于阳极气体随着时间的推移而富含从阴极区域扩散到阳极区域中的氮气，因此必须不时地冲洗再循环路径4。为此，在再循环风扇22上游的再循环路径4中布置有冲洗阀5。在此之前，阳极气体中含有的液态水能够借助布置在再循环路径4中的冲洗阀5上游的水分离器21被去除。
从阴极区域扩散到阳极区域中的氮气的量取决于至少一个燃料电池2的老化状态，使得随着时间的推移(即随着燃料电池2的使用时间的增加)阳极气体的氮份额也增加，确切地说以牺牲氢含量为代价。结果，燃料电池2的效率下降。
为了防止这一点，根据本发明，基于阳极气体的成分来确定燃料电池2的老化状态。在需要时可以更换燃料电池2。此外，根据至少一个燃料电池2的老化状态冲洗再循环路径4。即，并非像通常情况那样以基于模型的时间间隔、而是根据需求进行冲洗。由此延长了冲洗间隔并且提高了系统的效率
通过将实际成分(即当前求取出的阳极气体成分)与目标成分进行比较来确定至少一个燃料电池2的老化状态。如果所述比较表明成分的变化，则在这方面能够推断出至少一个燃料电池2的老化或者老化状态。为了求取实际成分，启动限定的运行点，使得确保了可比性。然后，借助当前布置在阴极废气路径11中的传感器6来求取实际成分。借助控制设备7执行实际成分与目标成分的比较，在该控制设备中将目标成分保存为参考。
替代在附图中示出的传感器6的布置，也能够将这个传感器(传感器6‘)直接放置在再循环路径4中。

Claims (10)

1.一种用于运行燃料电池系统(1)、尤其是PEM燃料电池系统的方法，在所述方法中，通过阳极气体路径(3)将含氢的阳极气体供应给至少一个燃料电池(2)，并且从所述燃料电池(2)中排出的阳极气体通过再循环路径(4)再循环，其中，为了降低所述阳极气体中含有的氮份额而打开布置在所述再循环路径(4)中的冲洗阀(5)并且冲洗所述再循环路径(4)，
其特征在于，借助至少一个传感器(6)求取所述阳极气体的实际成分，并且，通过将求取出的实际成分与目标成分和/或在较早时刻求取出的实际成分进行比较来确定所述至少一个燃料电池(2)的老化状态。
2.根据权利要求1所述的方法，
其特征在于，为了求取所述阳极气体的实际成分，启动限定的运行点。
3.根据权利要求1或2所述的方法，
其特征在于，借助所述传感器(6)求取所述阳极气体的氢含量，基于所述氢含量确定氮含量，并且由所述氮含量推导出所述至少一个燃料电池(2)的老化状态。
4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，
其特征在于，借助所述传感器(6)求取存在于所述再循环路径(4)中的阳极气体的实际成分。
5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，
其特征在于，借助所述传感器(6)求取通过所述冲洗阀(4)排走的阳极气体的实际成分。
6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，
其特征在于，以规律的时间间隔确定所述至少一个燃料电池(2)的老化状态。
7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，
其特征在于，考虑所述冲洗阀(5)和/或所述传感器(6)的老化状态，并且为了确定所述冲洗阀(5)和/或所述传感器(6)的老化状态，将在限定的状态A下通过所述冲洗阀(5)排走的阳极气体的氢含量与在限定的状态B下的氢含量进行比较。
8.根据权利要求7所述的方法，
其特征在于，在所述燃料电池系统(1)的无负载状态下通过相对于阳极侧地降低在阴极侧上的压力达到所述状态A。
9.根据权利要求7或8所述的方法，
其特征在于，在所述燃料电池系统(1)的正常运行中通过启动限定的负载点达到所述状态B。
10.一种控制设备(7)，其设置用于，实施根据前述权利要求中任一项的方法。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2003272685A (ja) * 2002-03-19 2003-09-26 Nissan Motor Co Ltd 燃料電池システム
JP4731804B2 (ja) * 2003-11-05 2011-07-27 本田技研工業株式会社 燃料電池システムの排出方法
JP2005310653A (ja) * 2004-04-23 2005-11-04 Toyota Motor Corp 燃料電池システム
JP4867191B2 (ja) * 2005-04-13 2012-02-01 日産自動車株式会社 燃料電池システム
DE112006004076A5 (de) * 2006-10-31 2009-09-10 Daimler Ag Brennstoffkreis eines Brennstoffzellensystems und Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems
US20100151287A1 (en) * 2008-12-16 2010-06-17 Gm Global Technology Operations, Inc Adaptive anode bleed strategy
DE102009036197B4 (de) * 2009-08-05 2013-03-07 Daimler Ag Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems
US8507141B2 (en) * 2010-08-25 2013-08-13 GM Global Technology Operations LLC Membrane permeation adjustment in PEM fuel cell
JP2019110031A (ja) * 2017-12-19 2019-07-04 パナソニックＩｐマネジメント株式会社 燃料電池システムとその運転方法

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