运行燃料电池系统和设定阴极运行气体的相对湿度的方法技术方案

本发明专利技术涉及用于在预热阶段或者其他瞬时运行阶段期间运行燃料电池系统的方法，或者用于设定阴极运行气体的相对湿度的方法。燃料电池系统包括：具有阳极室和阴极室的燃料电池堆叠，阳极室和阴极室通过聚合物电解质膜片相互分离；以及用于将阴极运行气体供给到所述阴极室中和从中导出的阴极供应装置；以及用于对燃料电池堆叠调温的冷却系统。该方法具有以下步骤：确定在燃料电池堆叠的入口处的阴极运行气体的入口温度；将在燃料电池堆叠的入口处的冷却剂额定温度规定为如下值，该值相应于阴极运行气体的入口温度或比其要小预先确定的数值；和控制冷却系统，使得在燃料电池堆叠的入口处存在的冷却剂温度至少接近于冷却剂额定温度。

Method of running fuel cell system and setting relative humidity of cathode running gas

The invention relates to a method for operating a fuel cell system during a preheating stage or other instantaneous operating stage, or a method for setting the relative humidity of a cathode operating gas. The fuel cell system comprises a stack of fuel cells with anode chambers and cathode chambers, which are separated from each other by polymer electrolyte diaphragms, a cathode supply device for supplying cathode operating gas to and from the cathode chamber, and a cooling system for regulating the stack temperature of the fuel cell. . The method consists of the following steps: determining the inlet temperature of the cathode operating gas at the inlet of the stack of fuel cells; setting the coolant rating temperature at the inlet of the stack of fuel cells to a predetermined value corresponding to or smaller than the inlet temperature of the cathode operating gas; and controlling the cooling system. The coolant temperature at the inlet of the fuel cell stack is at least close to the coolant rating temperature.

【技术实现步骤摘要】
运行燃料电池系统和设定阴极运行气体的相对湿度的方法
本专利技术涉及用于在燃料电池系统的预热阶段或者其他瞬时运行阶段期间运行燃料电池系统的方法。本专利技术另外涉及用于在预热阶段或者其他瞬时运行阶段期间设定阴极运行气体的相对湿度的方法。本专利技术另外涉及被设立用于实施该方法的燃料电池系统以及相应的车辆。
技术介绍
燃料电池利用燃料与氧气成为水的化学转化，以便产生电能。为此，燃料电池包含所谓的膜-电极-装置（MEA：膜电极组件）作为核心部件，所述膜-电极-装置是由离子传导（大多质子传导）的膜和在两侧布置在膜上的分别一个催化电极（阳极和阴极）组成的结构。后者大多包括负载型的贵金属、尤其铂。此外，气体扩散层（GDL）可以在膜-电极-装置的两侧被布置在电极的与膜背离的侧上。通常，通过多个以堆叠的方式所布置的MEA来构成燃料电池，这些MEA的电功率相加。在各个膜-电极-装置之间通常布置双极性板（也称为流场板或隔板），这些双极性板确保以运行介质、也即反应物来供应单电池，并且通常也用于冷却。此外双极性板负责与膜-电极-装置的导电接触。在燃料电池的运行中，燃料（阳极运行介质）、尤其氢气H2或者含氢的气体混合物经由双极性板的阳极侧的、开放的流场被供给给阳极，在阳极处进行从H2到质子H+的电化学氧化（H2—>2H++2e–），释放电子。经由电解质或膜进行质子从阳极室（Anodenraum）到阴极室内的（水结的或无水的）传输，其中该电解质或膜将反应室气密地相互分开并且电绝缘。在阳极上所提供的电子经由电线路输送给阴极。经由双极性板的阴极侧的开放的流场来将氧或含氧的气体混合物（例如空气）作为阴极运行介质供给给阴极，使得进行从O2到O2-的还原(½O2+2e—>O2-)，吸收电子。同时，氧负离子在阴极室中与经由膜所传输的质子反应(O2-+2H+—>H2O)，形成水。燃料电池的聚合物电解质膜需要一定的湿度，以便提供良好的离子传导性并且因此提供燃料电池的高功率密度。此外，当膜过度干燥时，则存在损坏膜的危险。为了将膜保持湿润，主动地对阴极运行气体、大多为空气加湿。对此，广泛地使用加湿器、尤其膜加湿器，这些加湿器利用能水蒸气渗透的平面或空心纤维膜来工作。在此，要加湿的阴极运行气体在膜的一侧上被传输并且相对湿润的气体在膜的另一侧上被传输，使得水蒸气从较湿润的气体绕过到阴极运行气体上。大多使用阴极废气作为湿润气体，由于在燃料电池中进行的反应来对该阴极废气加载所形成的产物水。DE102007026331A1公开一种用于燃料电池堆叠的控制系统，在该控制系统情况下阴极废气通过加湿器输送，以便将阴极的入口空气加湿。为了将阴极入口空气的相对湿度保持为超过预先确定的额定值，例如实施降低堆叠冷却液温度。DE102006022863A1公开一种用于控制燃料电池中的膜的水合作用程度（Hydratationsgrade）的运行策略。为此首先选择供给给燃料电池堆叠的并且从燃料电池堆叠中导出的阴极气体的相对的入口和出口目标湿度，使得对于膜确保期望的水合作用状态。此外，对于阴极流动路径实施水质量平衡。随后确定用于阴极气体的入口和出口额定温度，以便获得相对的入口和出口目标湿度。为了设定用于阴极气体的所确定（ermittelten）的入口和出口额定温度，将用于冷却剂的入口和出口额定温度设置为用于阴极气体的相应的额定值，并且通过对冷却剂系统（Kühlmittelsystems）的相应控制来调节冷却剂额定温度。当从环境中吸取的空气作为阴极运行气体是冷的，并且由于其热学惯性而还是冷的线路系统也不允许对阴极运行气体的快速加热时，在对阴极运行气体设定期望的相对湿度的困难在于燃料电池堆叠的预热阶段。本专利技术人已经确定，在这种情况中对阴极运行气体的期望的湿度的设定仅可能是非常不准确的并且经常未达到堆叠中的目标湿度。
技术实现思路
现在本专利技术所基于的任务是，提供用于运行燃料电池系统的方法和相应的燃料电池系统，该燃料电池系统在预热阶段或其他过渡阶段（Übergangsphasen）中容许对阴极运行气体的期望相对湿度的设定的经改善的准确性。该任务通过用于在预热阶段期间或者其他瞬时运行阶段期间运行燃料电池系统的方法、通过用于在预热阶段或者其他瞬时运行阶段期间设定阴极运行气体的相对湿度的方法以及通过具有独立权利要求的特征的相应的燃料电池系统得以解决。本专利技术的优选的构型从在从属权利要求中所提到的特征中得出。在此，术语“瞬时运行阶段（transienteBetriebsphase）”被理解为燃料电池系统的如下每个运行阶段，在该运行阶段的情况下燃料电池堆叠处于其额定温度之外，该冷却系统因此要求，将该堆叠从实际的当前堆叠温度加热到较高的温度或者冷却到较低的温度。用于在预热阶段或其他瞬时运行阶段期间运行燃料电池系统的根据本专利技术的方法涉及一种燃料电池系统，该燃料电池系统具有：包含通过聚合物电解质膜相互分离的阳极室和阴极室的燃料电池堆叠；以及用于将阴极运行气体供给到阴极室中和将阴极废气从阴极室导出的阴极供应装置（Kathodenversorgung）；以及用于对燃料电池堆叠调节温度的冷却系统。该方法具有以下步骤：-确定在燃料电池堆叠的入口处的阴极运行气体的入口温度（TG,ist），-将在燃料电池堆叠的入口处的冷却剂额定温度（TKM,soll）规定为如下值，该值相应于阴极运行气体的入口温度（TG,ist）或比所述入口温度小预先确定的数值，和-控制冷却系统，使得在燃料电池堆叠的入口处存在的冷却剂温度（TKM,ist）至少接近于冷却剂额定温度（TKM,soll）。因此根据本专利技术，在燃料电池堆叠的预热阶段或瞬时运行阶段期间在燃料电池堆叠的入口处存在的冷却剂温度（接下来也称为冷却剂入口温度或冷却剂实际温度）基于阴极运行气体的目前在燃料电池堆叠的入口处存在的入口温度（接下来也称为阴极气体实际温度）主动地被传递。因此，冷却剂入口温度适配于阴极气体实际温度。这具有的后果是，阴极运行气体的温度基本上不经由燃料电池堆叠的阴极室的流动场改变，所述堆叠被调温到冷却剂额定温度。这引起，阴极运行气体的相对湿度也不由于温度改变而改变，尤其不由于加热而减小。专利技术者也即已经观察到，在传动运行的燃料电池中，在预热阶段中冷却剂并且因此还有燃料电池堆叠加热得比阴极运行气体更快。由于此，阴极运行气体的温度在进入到堆叠中之后升高，由此在阴极室以内的相对湿度减小。因此，不能确保燃料电池堆叠的膜的足够湿度。然而，通过根据本专利技术的方法，防止进入的阴极运行气体的加热和与之伴随的、减小的相对湿度。因此，根据本专利技术的方法能够实现在预热阶段期间或者在瞬时条件下对燃料电池堆叠的膜的较可靠的加湿。如已经提及的那样，将堆叠入口处的冷却剂额定温度规定为如下值，该值相应于阴极气体实际温度或者比其小预先确定的数值。为了实现在堆叠之内的阴极运行气体的尽可能小的温度改变，该数值选得尽可能小。尤其，该数值最高为10开尔文，优选地最高7开尔文并且特别优选最高5开尔文（Kelvin）。在燃料电池堆叠的入口处存在的冷却剂温度（冷却剂实际温度）可以通过不同的办法（Mittel）来控制，以便使该冷却剂温度接近于冷却剂额定温度（并且因此接近于阴极气体实际温度）本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.用于在预热阶段或者其他瞬时运行阶段期间运行燃料电池系统（100）的方法，其中所述燃料电池系统（100）具有：燃料电池堆叠（10），所述燃料电池堆叠具有阳极室和阴极室（12、13），所述阳极室和阴极室通过聚合物电解质膜片相互分离；以及用于将阴极运行气体供给到所述阴极室（13）中和将阴极废气从所述阴极室（13）导出的阴极供应装置（30）；以及用于对所述燃料电池堆叠（10）调温的冷却系统（40），其中所述方法具有以下步骤：‑ 确定在所述燃料电池堆叠（10）的入口处的所述阴极运行气体的入口温度（TG,ist），‑ 将在所述燃料电池堆叠（10）的入口处的冷却剂额定温度（TKM,soll）规定为如下值，所述值相应于所述阴极运行气体的所述入口温度（TG,ist）或比所述入口温度要小预先确定的数值，和‑ 控制所述冷却系统（40），使得在所述燃料电池堆叠（10）的入口处存在的冷却剂温度（TKM,ist）至少接近于所述冷却剂额定温度（TKM,soll）。

【技术特征摘要】
2017.02.07 DE 102017102354.21.用于在预热阶段或者其他瞬时运行阶段期间运行燃料电池系统（100）的方法，其中所述燃料电池系统（100）具有：燃料电池堆叠（10），所述燃料电池堆叠具有阳极室和阴极室（12、13），所述阳极室和阴极室通过聚合物电解质膜片相互分离；以及用于将阴极运行气体供给到所述阴极室（13）中和将阴极废气从所述阴极室（13）导出的阴极供应装置（30）；以及用于对所述燃料电池堆叠（10）调温的冷却系统（40），其中所述方法具有以下步骤：-确定在所述燃料电池堆叠（10）的入口处的所述阴极运行气体的入口温度（TG,ist），-将在所述燃料电池堆叠（10）的入口处的冷却剂额定温度（TKM,soll）规定为如下值，所述值相应于所述阴极运行气体的所述入口温度（TG,ist）或比所述入口温度要小预先确定的数值，和-控制所述冷却系统（40），使得在所述燃料电池堆叠（10）的入口处存在的冷却剂温度（TKM,ist）至少接近于所述冷却剂额定温度（TKM,soll）。2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述数值为最高10K、尤其最高7K、优选地最高5K。3.根据权利要求1或2所述的方法，其中通过影响所述冷却系统（40）的冷却器（43）的冷却功率、影响所述冷却器（43）的冷却器旁通线路（44）的旁通打开（BP）和/或通过影响所述冷却系统（40）的供给装置（42）的功率来设定在所述燃料电池堆叠（10）的入口处存在的冷却剂温度（TKM，ist）。4.用于在预热阶段或其他瞬时运行阶段期间设定燃料电池系统（100）的阴极运行气体的相对湿度的方法，其中所述燃料电池系统（100）具有：燃料电池堆叠（10），所述燃料电池堆叠具有阳极室和阴极室（12、13），所述阳极室和阴极室通过聚合物电解质膜片相互分离；以及用于将所述阴极运行气体供给到所述阴极室（13）中和将阴极废气从所述阴极室（13）导出的阴极供应装置（30）；以及用于对所述燃料电池堆叠（10）调温的冷却系统（40），其中所述方法具有以下步骤：-...

【专利技术属性】
技术研发人员：N格林赫尔德，
申请(专利权)人：大众汽车有限公司，奥迪股份公司，
类型：发明
国别省市：德国,DE