运行燃料电池系统的燃料电池组的方法以及燃料电池系统技术方案

本发明专利技术涉及一种运行特别是车辆的燃料电池系统的燃料电池组(10)的方法，其中，在冷却工作模式中，通过反转冷却剂的流动方向(14，16)来在所述燃料电池组(10)中先沿第一方向(14)输送所述冷却剂。随后沿与所述第一方向(14)至少大致相反的第二方向(16)输送所述冷却剂。其中，在所述冷却工作模式中，改变在反转所述流动方向(14，16)之前所经过的时间跨度。也可以在所述冷却工作模式中改变在将冷却剂体积从位于所述燃料电池组(10)中的热源(12)移开时所经过的距离。此外本发明专利技术还涉及一种燃料电池系统。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】运行燃料电池系统的燃料电池组的方法以及燃料电池系统
本专利技术涉及一种运行燃料电池系统的燃料电池组的方法，其中，在冷却工作模式中，通过反转冷却剂的流动方向来在燃料电池组中先沿第一方向输送冷却剂，随后沿与所述第一方向至少大致相反的第二方向进行输送。此外本专利技术还涉及一种燃料电池系统。
技术介绍
在较低的环境温度下，即在低于0℃的温度下启动燃料电池系统的燃料电池组时，一般而言，燃料电池组中的个别位置上会生热，这是因为氢与氧在这些位置上会非常迅速地发生反应。随着该位置逐渐升温，燃料电池的该区域所能提供的电能也增大，这使得该位置进一步升温。燃料电池的效率随其温度的升高而提高，因此还能产生更多电能，且该位置还会进一步升温。这种局部受限的、与燃料电池组中的环境相比具有较高温度的位置也被称作热点。燃料电池组在热点区域内的过度剧烈的升温可能会导致燃料电池的膜片脱水或损坏，因此，即使是在燃料电池组冷启动或冷冻启动时，也设置用于从热点排出热量的冷却剂流。亦即，即使在燃料电池组冷启动或冷冻启动时，也采用冷却工作模式，其用于排出热点所产生的热量。DE102007034300A1描述一种在燃料电池组启动期间在燃料电池组中反转冷却剂的流动方向的方案。根据该方案，在包括燃料电池组的冷却剂回路中布置有冷却剂泵，其能从第一输送方向切换至与第一输送方向相反的第二输送方向。为了反转流动方向，选择相对较短的周期时间(例如：六秒)，从而尽可能减小燃料电池组内的温差。也可以设置更短的周期时间，以进一步缩小燃料电池组内的温度跨度。上述方案的缺点在于，尽管对冷却剂的流动方向进行反转，在冷却工作模式中仍可能出现问题。
技术实现思路
因此，本专利技术的目的是，提供一种开篇所述类型的方法，以及一种用于改善所述燃料电池组的启动特性的燃料电池系统。本专利技术用以达成上述目的的解决方案是，一种具有如权利要求1所述特征的方法，一种具有如权利要求4所述特征的方法，以及一种具有如权利要求11所述特征的燃料电池系统。本专利技术的有利设计方案和优选改进方案由从属权利要求给出。根据本专利技术的第一方面，在所述冷却工作模式中，将在反转所述流动方向之前所经过的时间跨度至少改变一次。这样便能以下述方式准确设置燃料电池组中的冷却剂流，使得从若干热点排出足够多的热量，从而避免各燃料电池的膜片受损。另一方面，相应设定的时间跨度不应过长，以免从所述热点进行排热后在该区域内发生急剧冷却。亦即，由于先前已因燃料电池反应而产生了水，这种冷却可能会导致结冰，从而将反应用料通道堵塞。通过改变所述冷却剂在冷却工作模式中沿相应方向流过所述燃料电池组时所处于的时间跨度，能够使该时间跨度与当前状况最优匹配，从而既不会出现从所述热点的排热不足，也不会发生过于急剧的排热。这样便能改善所述燃料电池组特别是在冷启动或冷冻启动时的启动特性。特定而言，所述燃料电池组特别快速和稳定地启动，即达到能提供期望的电功率的工作状态。这又使得在启动期间需要从所述燃料电池系统中必要时设有的另一电能量存储器(例如电池)获取的能量减少。当所述燃料电池系统被布置在车辆中时，这一方案尤其具有优势，因为所述能量存储器有更多电能供其他车辆功能使用，例如用于对内部空间的空气调节。在所述冷却工作模式中，即在从所述燃料电池组的区域内的所述热点排出热量，并将其分布至所述热点周围的区域期间，若忽略所述冷却剂流的惯性效应，则以基本不间断的方式对所述流动方向进行反转。特定而言，泵装置在所述冷却工作模式中持续输送所述冷却剂。但是也可以在反转所述流动方向之前使所述冷却剂流停止一段时间。在本专利技术的一种有利设计方案中，随着冷却工作模式的持续时间的延长，增大所述在反转流动方向之前所经过的时间跨度。该方案基于以下认识，在冷却工作模式开始阶段，当热点还相对较小时，从该热点排出的该热点的热量仅需达到一定程度，便能确保利用温度较低的冷却剂的后续流动将所述热点足够程度地冷却。此外，最初较短的时间跨度有助于使所述热量基本上留在所述燃料电池组中，进而有助于使整个燃料电池组快速达到所期望的工作温度。再者，借助在反转流动方向之前所经过的时间跨度最初较短这一方案，在通过冷却剂流排出热量的所述热点的区域内能够特别可靠地避免非期望的结冰。通过逐渐增大所述时间跨度还能实现热量在所述燃料电池组中的极佳分布。进一步有利的方案是，至少在第一时间跨度内，将一冷却剂体积以不远于预设距离的方式从位于所述燃料电池组中的热源移开，所述冷却剂体积的温度高于另一同样位于包含所述燃料电池组的冷却剂回路中的冷却剂体积。这样便能避免所述热源或所述热点冷却至能够使热点中形成的反应水冻结的程度。此外，所述经加热的冷却剂体积围绕所述热源(即所述热点)的振荡确保热点沿两个方向均实现所期望的热分布，而只经过预设的距离。根据本专利技术的另一方面，在采用所述运行燃料电池系统的燃料电池组的方法时，在所述冷却工作模式中，至少改变一次将一冷却剂体积从位于所述燃料电池组中的热源移开时所经过的距离。换言之，在当前的冷却工作模式中改变所述冷却剂振荡的幅度。通过这种方式也能改善所述燃料电池组的启动特性。特定而言，可在当前的冷却工作模式中通过改变输送所述冷却剂的泵装置的压力和/或输送功率来改变所述距离。即使在采用固定的周期时间来反转所述流动方向的情形下，也能通过修改所述泵装置的压力和/或输送功率来设置不同的流动速度。通过设置不同的流动速度可使所述冷却剂体积在所述燃料电池组中经过不同的距离。特定而言，可根据所述燃料电池组中的温度，和/或，根据外部温度来改变在反转流动方向之前所经过的时间跨度，和/或改变所述距离。这样便能视相应条件在所述燃料电池组中对所述冷却剂流的改变进行极佳调整。进一步有利的方案是，在所述冷却工作模式的第一阶段中，使一冷却剂体积在所述燃料电池组的第一冷却剂接口与所述燃料电池组的第二冷却剂接口之间来回移动，所述冷却剂体积的温度高于包括所述燃料电池组的冷却剂回路中的另一冷却剂体积。这样便确保经加热的冷却剂体积不会离开所述燃料电池组，并且特别好地利用从所述热源或热点排出的热量来提高整个燃料电池组的温度。还能将不断扩大的热点的热量极佳地分布到燃料电池组的不断增大的分区上。另一个有利方案是，在所述冷却工作模式的第二阶段中，将所述冷却剂体积至少输送至所述燃料电池组的第一冷却剂接口和/或第二冷却剂接口。亦即，来自不同冷却剂通道的冷却剂流在所述冷却剂接口的区域内混合，所述冷却剂通道用于冷却所述燃料电池组的各燃料电池。这种将来自所述燃料电池组的不同冷却剂通道的冷却剂混合的方案有助于使所述冷却剂的热量均匀化。特定而言，即使在不同于所述冷却剂的流动方向的方向上，如垂直于所述冷却剂流过所述燃料电池组的流动方向上，也实现热分布。除原有的利用热传导所实现的热分布以外还存在对流式热分布，这种热分布使得整个燃料电池组特别快地升温。在本专利技术的另一有利技术方案中，在所述冷却工作模式中，至少暂时仅通过包括所述燃料电池组的第一冷却剂回路输送所述冷却剂，所述第一冷却剂回路能够与具有冷却器的第二冷却剂回路流体耦合。与通过将第一冷却剂回路与第二冷却剂回路进行流体耦合而能够实现的整个冷却剂回路相比，所述较小的第一冷却剂回路包含的冷却剂的量较少。由于所述冷却剂首先仅在所述本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种运行特别是车辆的燃料电池系统的燃料电池组(10)的方法，其中，在冷却工作模式中，通过反转冷却剂的流动方向(14，16)来在所述燃料电池组(10)中先沿第一方向(14)输送所述冷却剂，以及，随后沿与所述第一方向(14)至少大致相反的第二方向(16)进行输送，其特征在于，在所述冷却工作模式中，改变在反转所述流动方向(14，16)之前所经过的时间跨度。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2012.03.23 DE 102012005837.31.一种运行燃料电池系统的燃料电池组(10)的方法，其中，在冷却工作模式中，通过反转冷却剂的流动方向(14，16)来在所述燃料电池组(10)中先沿第一方向(14)输送所述冷却剂，以及，随后沿与所述第一方向(14)至少大致相反的第二方向(16)进行输送，其特征在于，在所述冷却工作模式中，改变在反转所述流动方向(14，16)之前所经过的时间跨度，并且随着所述冷却工作模式的持续时间的延长，增大所述时间跨度。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，至少在第一时间跨度内，将一冷却剂体积以不远于预设距离的方式从位于所述燃料电池组(10)中的热源(12)移开，所述冷却剂体积的温度高于包括所述燃料电池组(10)的冷却剂回路(24)中的另一冷却剂体积。3.一种运行燃料电池系统的燃料电池组(10)的方法，其中，在冷却工作模式中，通过反转冷却剂的流动方向(14，16)来在所述燃料电池组(10)中先沿第一方向(14)输送所述冷却剂，以及，随后沿与所述第一方向(14)至少大致相反的第二方向(16)进行输送，其特征在于，在所述冷却工作模式中，改变在将一冷却剂体积从位于所述燃料电池组中的热源(12)移开时所经过的距离，并且随所述冷却工作模式的持续时间的延长而增大所述距离。4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，通过改变输送所述冷却剂的泵装置(32)的压力来改变所述距离。5.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其特征在于，在所述冷却工作模式的第一阶段中，使一冷却剂体积在所述燃料电池组(10)的第一冷却剂接口(20)与所述燃料电池组(10)的第二冷却剂接口(22)之间来回移动，所述冷却剂体积的温度高于包括所述燃料电池组(10)的冷却剂回路(24)中的另一冷却剂体积。6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，在所述冷却工作模式的第二阶段中，将所述冷却剂体积至少输送至所述燃料电池组(10)的第一冷却剂接口(20)和/或第二冷却剂接口(22)。7.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其特征在于，在所述冷却工作模式中，至少暂时仅通过包括所述燃...

【专利技术属性】
技术研发人员：F·布兰克，M·乌尔，
申请(专利权)人：戴姆勒股份公司，
类型：发明
国别省市：德国;DE