用于运行燃料电池系统的方法、控制设备和燃料电池系统与流程

用于运行燃料电池系统的方法、控制设备和燃料电池系统


背景技术：

1.在燃料电池系统、尤其是用于驱动机动车的燃料电池系统中，氧化剂通常使用来自环境空气的氧气，以便在燃料电池中与氢气反应生成水(或者说水蒸汽)并且因此通过电化学转换提供电功率。在此，燃料电池系统的动态特性主要取决于空气系统的动态特性。在此，空气质量流的反应所需的氧气是限制参量。在朝向更高的燃料电池功率、尤其是燃料电池堆功率发生负载跃变的情况下，必须增加空气系统的压缩器的转速或者说功率并且因而增加空气质量流。
2.此外，燃料电池系统的水管理导致对空气系统的附加要求。在跃变到更高的燃料电池功率的情况下产生更多热量，必须从系统中将这些热量排出。为了能够排出这些热量，通常需要提高运行温度。然而，在稳定状态下增加的温度有利于燃料电池堆的膜片的脱水(austrocknung)，所述脱水对燃料电池堆的性能以及寿命都有负面影响。为了抵消从系统中的水的排放，因此必须提高运行压力。空气质量流的动态特性取决于压缩器的工作特征曲线(arbeitskennlinie)和空气流路径。工作特征曲线能够受到燃料电池系统的压力维持阀的位态的影响。空气流路径的动态特性取决于压缩器的动态特性。然而，压缩器的功率是有限的。能够用于加速转子的力矩由电机的驱动力矩减去压缩器的转子的摩擦力矩和来自转子的压力侧的反压力(gegendruck)的力矩得出。通常，根据压力维持阀的位态，在质量流和压力损失之间存在固定的关系。该关系在此通常取决于稳定运行点的要求。已知的解决方案的共同缺点是：在苛刻的运行条件下、例如在高环境温度下，在非常动态的性能并且因此空气质量流的快速变化作为一方面和燃料电池系统的持续负荷能力作为另一方面之间也存在目标冲突。


技术实现要素：

3.本发明公开了一种根据权利要求1的特征的用于运行燃料电池系统的方法、一种根据权利要求10的特征的控制设备以及一种根据权利要求11的特征的燃料电池系统。
4.本发明的其他特征和细节由从属权利要求、说明书和附图中得出。在此，结合根据本发明的方法描述的特征和细节当然也适用于结合根据本发明的控制设备和根据本发明的燃料电池系统，并且反之亦然，使得关于对各个发明方面的公开总是相互参考或者说能够相互参考。
5.根据第一方面，本发明示出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燃料电池堆、压缩器、压力维持阀(druckhalteventil)和控制设备，所述燃料电池堆具有多个分别具有至少一个阴极区段和至少一个阳极区段的燃料电池，所述压缩器用于将空气输送到所述阴极区段中。至少一个阴极区段布置在压缩器的下游并且与所述压缩器流体连通地(fluidkommunizierend)布置，并且布置在压力维持阀的上游并且与所述压力维持阀流体连通地布置。燃料电池系统具有在压缩器和压力维持阀之间的高压区域，其中，所述方法包括以下步骤：
6.a)由控制设备接收增加通到至少一个阴极区段的空气质量流的请求，
7.b)通过由控制设备至少部分地打开压力维持阀来降低在高压区域中的压力，
8.c)通过由控制设备进行的压缩器的转速增加来增加通到至少一个阴极区段的空气质量流，
9.d)通过在恒定或者近似恒定的空气质量流的情况下由控制设备至少部分地关闭压力维持阀来增加在高压区域中的压力。
10.根据本发明的方法特别有利地能够实现：燃料电池系统对负载增加的请求(即需求增加的通过燃料电池系统的能量输出)作出反应。根据本发明的方法在接收到增加空气质量流的请求之后首先为了增加在阴极区段的入口处的空气质量流而至少部分地、优选完全打开压力维持阀。燃料电池系统的空气质量流通过在压缩器的转速恒定或者近似恒定的情况下至少部分地打开压力维持阀而增加。通过打开压力维持阀，对于压缩器，降低了燃料电池系统的压力阻力并且因而简化了或者说明显更快地实现了压缩器的转速的增加。通过随后、优选部分同时地增加压缩器的转速并且打开压力维持阀，有利地，在阴极区段的入口处所需的空气质量流被尽可能快地调设。为了随后或者说部分并行的压力增加，在空气质量流恒定或者近似恒定的情况下进行压力维持阀的部分关闭，尤其是在阴极区段的入口处。为了在至少部分地关闭压力维持阀期间将空气质量流保持为恒定或者近似恒定的，进一步增加压缩器的转速。在本发明的范畴内，高压区域被理解为具有增加的压力的区域。增加的压力在高压区域中通过压缩器在压缩器下游的流动路径中产生，并且该增加的压力优选被维持直至压力维持阀和/或涡轮机(参见本技术的进一步描述)。在本发明的意义上，空气质量流能够包含水、尤其是水蒸汽的部分或者其他物质。在逻辑上，在压缩器的运行期间无法设置压力维持阀的完全关闭。压缩器的这种工作特征能够实现：燃料电池系统对负载增加的请求(即需求增加的通过燃料电池系统的能量输出)特别高效且快速地作出反应。
11.依据根据本发明的方法的一种优选实施方式设置，燃料电池系统还具有加湿器、尤其是外部的加湿器，以用于加湿燃料电池系统的膜片，尤其其中，外部加湿器在至少一个阴极区段的上游和/或下游与阴极区段流体连通地布置。在跃变到更高的燃料电池功率的情况下，会产生更多的热量，所述热量必须从系统中排出。为了能够排出这些热量，通常需要提高运行温度。然而，在稳定状态下增加的温度有利于燃料电池系统的膜片的脱水，所述脱水对燃料电池系统的性能和寿命都有负面影响。为了回收流体、尤其是水，加湿器能够再次在阴极区段的下游被流动通过。用于加湿膜片的加湿器、尤其是外部的加湿器能够以简单且成本有利的手段实现燃料电池系统的有利的使用寿命的延长和/或性能的提高。
12.依据根据本发明的方法的一种优选实施方式设置，通过至少部分地关闭压力维持阀以便增加高压区域中的压力根据膜片的湿度进行。能量输出的增加导致燃料电池系统更高的运行温度。在高压区域内的压力比与高压区域中的温度处于直接相互作用中。温度的升高，尤其是在质量流恒定或者近似恒定时部分关闭压力维持阀的情况下，能够实现在燃料电池系统的高压区域中的压力的增加。为了使燃料电池系统的至少一个膜片始终具有足够的湿度，根据本发明的方法的一个有利构型是：根据燃料电池系统的至少一个膜片的湿度实现至少部分地关闭压力维持阀并且因而实现温度升高。因此，能够有利地避免膜片的脱水和/或膜片的湿度下降到临界值以下。
13.依据根据本发明的方法的一种优选实施方式设置，通过至少部分地打开压力维持阀直到达到或者几乎达到压缩器的特征图(kennfeld)的截止极限(sperrgrenze)来实现在
高压区域中的压力的降低。对于压缩器的特别高效的工作特征曲线和/或快速实现压缩器的新的运行点以用于燃料电池系统的增加的能量输出来说，通过至少部分地打开压力维持阀直到达到或者几乎达到压缩器的特征图的截止极限来实现在高压区域中的压力的降低是特别有利的。通过压缩器的直到特征图的截止极限的运行点变化过程，在压缩器的转速首先恒定的情况下实现了尽可能高的质量流。沿着压缩器特征图的截止极限的随后的转速增加和空气质量流增加表示在通过压缩器的压力比略有升高的情况下的质量流的特别有效的增加。在功率升高的最后一个步骤中，压缩器的运行点由于在空气质量流恒定或者近似恒定且压力比升高的情况下的进一步的转速增加而远离压缩器特征图的截止极限。
14.依据根据本发明的方法的一种优选实施方式设置，燃料电池系统还具有涡轮机，其中，涡轮机布置在阴极区段的下游并且与阴极区段流体连通地布置，并且其中，压力维持阀布置在涡轮机的下游或者上游。涡轮机优选与压缩器和驱动设备、尤其是马达有效连接地(wirkverbunden)布置在轴线上。通过将涡轮机布置在阴极区段的下游、尤其是燃料电池系统的高压区域的末端，实现了压缩器的特别高效的运行。空气质量流能够通过涡轮机至少部分地降低压力(entspannen)并且通过下降的压力比来支持压缩器的旋转。马达用作压缩器和涡轮机的优选公共轴的驱动设备。
15.依据根据本发明的方法的一种优选实施方式设置，燃料电池系统还具有增压空气冷却器(ladeluftk
ü
hler)，尤其其中，增压空气冷却器在压缩器的下游和/或阴极区段的上游与阴极区段流体连通地布置。增压空气冷却器能够有利地实现空气质量流的、尤其是在进入加湿器和/或阴极区段之前的冷却，并且因此能够进一步提高燃料电池系统的效率或者说减少在阴极的入口区域中的膜片的脱水。
16.依据根据本发明的方法的一种优选实施方式设置，燃料电池系统具有带有至少一个第一旁路阀的至少一个第一旁路，其中，所述至少一个第一旁路具有从压缩器到阴极区段的、尤其是并行于外部的加湿器和/或增压空气冷却器的直接的流体连通的流动引导除了打开压力维持阀之外，第一旁路还实现燃料电池系统的针对在压缩器下游的空气质量流的阻力减小和/或所流动通过的体积的减小。因此，通过该至少一个第一旁路例如实现了与增压空气冷却器和/或加湿器并行的流动路径，并且因此绕开增压空气冷却器和/或加湿器的空气阻力和/或体积。如此构型的燃料电池系统能够实现：通过直到达到压缩器的新的运行点的减少的时间需求，实现更高效的运行或者说对增加的能量输出的请求更快速地作出反应。
17.依据根据本发明的方法的一种优选实施方式设置，燃料电池系统具有带有至少一个第二旁路阀的至少一个第二旁路，其中，所述至少一个第二旁路具有从阴极区段到压力维持阀和/或涡轮机的、尤其是并行于外部的加湿器的直接的流体连通的流动引导。除了打开压力维持阀之外，第二旁路还实现了燃料电池系统的针对在阴极区段下游的空气质量流的阻力减小。因此，通过该至少一个第一旁路例如实现了与加湿器并行的流动路径，并且因而绕开增压空气冷却器的空气阻力。如此构型的燃料电池系统能够实现：通过直到达到压缩器的新的运行点的减少的时间需求，实现更高效的运行或者说对增加的能量输出的请求更快速地作出反应。
18.依据根据本发明的方法的一种优选实施方式设置，燃料电池系统还具有空气过滤器，尤其其中，空气过滤器在压缩器的上游与压缩器流体连通地布置。根据本发明的空气过
滤器实现了空气质量流、尤其是在压缩器的上游空气质量流的过滤，并且，因而实现了在燃料电池系统内的空气质量流的增加的空气质量。因此，能够实现例如不含有或者几乎不含有不需要的颗粒、流体和/或物质的空气质量流。
19.根据第二方面，本发明公开了一种控制设备，该控制设备包括计算单元和存储单元，其中，在存储单元中存储有程序，所述程序当在计算单元中至少部分地实施时执行根据第一方面的方法。因此，根据本发明的第二方面的控制设备具有与已经针对根据本发明的第一方面的根据本发明的方法所描述的优点相同的优点。根据本发明的方法能够被特别有利地执行，如果这种方法借助控制设备来执行。控制设备还能够包括输入和/或输出设备，以用于与操作者交互。
20.根据第三方面，本发明公开了一种燃料电池系统，该燃料电池系统具有用于输送空气的压缩器、燃料电池堆、涡轮机、压力维持阀和控制设备，所述燃料电池堆具有多个分别具有至少一个阴极区段和至少一个阳极区段的燃料电池，其中，所述至少一个阴极区段布置在所述压缩器的下游并且与所述压缩器流体连通地布置，并且布置在所述压力维持阀的上游并且与所述压力维持阀流体连通地布置，其中，所述燃料电池系统具有在所述压力维持阀的上游且所述涡轮机的下游的高压区域，其中，所述燃料电池系统构型用于实施根据第一方面的方法。控制设备优选根据第二方面地被构型。因此，根据本发明的第三方面的燃料电池系统具有与已经针对根据本发明的第一方面的根据本发明的方法所描述的优点相同的优点。此外，涡轮机优选能够布置在阴极区段的下游并且与阴极区段流体连通地布置，并且，压力维持阀优选能够布置在涡轮机的下游或者上游。
21.依据根据本发明的燃料电池系统的一个有利的实施方式设置，燃料电池系统还具有增压空气冷却器、带有第一旁路阀的第一旁路、带有第二旁路阀的第二旁路和/或空气过滤器，尤其其中，所述至少一个第一旁路具有从所述压缩器到所述阴极区段的、尤其是并行于所述外部的加湿器和/或所述增压空气冷却器的直接的流体连通的流动引导，和/或其中，所述至少一个第二旁路具有从所述阴极区段到所述压力维持阀和/或涡轮机的、尤其是并行于所述外部的加湿器的直接的流体连通的流动引导。此外，空气过滤器能够在压缩器的上游与压缩器流体连通地布置。此外，涡轮机能够布置在阴极区段的下游并且与阴极区段流体连通地布置，其中，压力维持阀布置在涡轮机的下游或者上游。此外，增压空气冷却器能够在压缩器的下游和/或阴极区段的上游与阴极区段流体连通地布置。燃料电池系统的补充的设备和/或旁路具有与已经针对根据本发明方法详细描述的优点相同的优点。
附图说明
22.附图分别示意性地示出：
23.图1示出燃料电池系统的流动路径变化过程，该燃料电池系统具有空气过滤器、涡轮机、马达和压缩器、增压空气冷却器、加湿器、阴极区段、压力维持阀以及第一旁路和第二旁路，该第一旁路和第二旁路分别具有第一旁路阀或第二旁路阀；
24.图2示出具有根据本发明的方法的初始状态和目标状态的压缩器的特征图，在该特征图中绘制压缩器上的压力比随着压缩器的空气质量流变化，其中，该特征图由截止极限和喘振极限限制并且具有相同转速的曲线；
25.图3示出具有燃料电池堆的燃料电池和控制设备的燃料电池系统。
具体实施方式
26.在以下附图中，相同的附图标记用于也来自不同的实施例的相同的技术特征。
27.在图1中示出燃料电池系统100的示意性、平面状的流动路径走向。图1示出在燃料电池系统100内的空气质量流ms的流动路径走向。燃料电池系统100示例性地具有在压缩器10上游的空气过滤器90。压缩器10借助例如轴与马达和涡轮机30有效连接地耦合。燃料电池系统100在压缩器10的下游还具有用于冷却空气质量流ms的增压空气冷却器70。燃料电池系统100还具有在至少一个阴极区段k上游的加湿器60、尤其是外部的加湿器60。带有第一旁路阀82的第一旁路80提供与增压空气冷却器70和加湿器60并行的流动路径，以便实现从压缩器10到阴极区段k的直接的流动路径。为了回收流体、尤其是水，加湿器60能够再次在阴极区段k的下游被流动通过。第二旁路84实现在阴极区段k下游的并行的流动路径。根据本发明的高压区域hdb从压缩器10下游延伸到燃料电池系统100的压力维持阀40或者说涡轮机30。如此构型的根据本发明的燃料电池系统100借助根据本发明的方法和根据本发明的控制设备50特别有利地实现了燃料电池系统100对负载增加的请求(即需求增加的通过燃料电池系统100的能量输出)特别高效且快速地作出反应。
28.图2示出压缩器10的特征图，在该特征图中绘制在压缩器10上的压力比随着压缩器10的空气质量流ms的变化。在该特征图中，绘制出初始状态p1和目标状态p4。目标状态p4表示对燃料电池系统100的增加的功率输出的请求。为了燃料电池系统100的增加功率输出，需要在阴极区段k(未示出)的入口处的增加的质量流ms。为了燃料电池系统100的特别高效的功率升高，空气质量流ms从初始状态p1沿着线n借助压缩器10的恒定转速增加到第一中间状态p2。空气质量流ms的增加通过至少部分地打开在高压区域hdb(未示出)的末端的压力维持阀40(未示出)来实现。从第一中间状态p2到第二中间状态p3，空气质量流ms通过增加压缩器10的转速而进一步增加。从第二中间状态p3到目标状态p4，在空气质量流恒定ms的情况下，在压缩器10上的压力比通过进一步加速压缩器10的转速而提高。压缩器10的这种工作特征曲线实现了燃料电池系统100对负载增加的请求(即需求增加的通过燃料电池系统100的能量输出)特别高效且快速地作出反应。
29.在图3中，示出具有燃料电池堆20的燃料电池110并具有控制设备50的燃料电池系统100。控制设备50包括计算单元52和存储单元54，其中，在存储单元54中存储有程序，该程序当在计算单元52中至少部分地实施时执行根据第一方面的方法。