用于运行燃料电池装置的方法、燃料电池装置以及具有燃料电池装置的机动车制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种用于运行燃料电池装置(1)的方法，所述燃料电池装置具有带有至少一个燃料电池(2)的燃料电池堆(3)，所述方法包括以下步骤：a)在燃料电池装置(1)关停时，对燃料电池堆(3)进行干燥，b)在燃料电池装置(1)重新启动时，借助于电化学阻抗谱法确定膜剩余水和阴极剩余水，c)使用电池电压监测单元来识别燃料电池(2)中的一个燃料电池中的最湿润的阴极(22)，d)基于模型确定从最湿润的阴极(22)到阳极(21)的水运送，并且因此确定该燃料电池(2)中的阳极湿度，e)根据阳极湿度调整电流和燃料体积流。本发明专利技术还涉及一种燃料电池装置(1)以及一种具有燃料电池装置(1)的机动车。及一种具有燃料电池装置(1)的机动车。及一种具有燃料电池装置(1)的机动车。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于运行燃料电池装置的方法、燃料电池装置以及具有燃料电池装置的机动车


[0001]本专利技术涉及一种用于运行燃料电池装置的方法，所述燃料电池装置具有带有至少一个燃料电池的燃料电池堆，所述方法包括以下步骤：
[0002]a)在燃料电池装置关停时，对燃料电池堆进行干燥，
[0003]b)在燃料电池装置重新启动时，借助于电化学阻抗谱法确定膜剩余水和阴极剩余水，
[0004]c)使用电池电压监测单元来识别燃料电池中的一个燃料电池中的最湿润的阴极，
[0005]d)基于模型确定从最湿润的阴极到阳极的水运送，并且因此确定该燃料电池中的阳极湿度，
[0006]e)根据阳极湿度调整电流和燃料体积流。
[0007]本专利技术还涉及一种燃料电池装置以及一种具有燃料电池装置的机动车。

技术介绍

[0008]燃料电池装置被用来将燃料与氧气化学转化为水，以便产生电能。为此，燃料电池包含所谓的膜电极组件作为核心部件，膜电极组件是由传导质子的膜和相应布置在膜两侧处的电极(阳极和阴极)组成的复合物。此外，气体扩散层(GDL)可以在膜电极单元的两侧布置在电极的背离膜的一侧处。在具有多个联合成燃料电池堆的燃料电池的燃料电池装置的运行中，燃料、尤其是氢气(H2)或含氢气的气体混合物被供应给阳极，在阳极处在放出电子的情况下进行H2到H
+
的电化学氧化。经由将反应室彼此气密地隔开并使其电绝缘的膜进行质子H
+
从阳极室到阴极室中的(有水或无水的)运送。在阳极处提供的电子经由电气线路被输送到阴极。向阴极供应氧气或含氧气的气体混合物，从而在接收电子的情况下进行O2到O2‑
的还原。同时，在阴极室中，这些氧阴离子与经由膜运送的质子在形成水的情况下反应。该水必须从燃料电池和燃料电池堆中引导出，直到达到对于运行燃料电池系统所需的湿度水平。
[0009]因此，燃料电池装置需要仔细的水管理，因为一方面需要防止过多的水处于燃料电池或燃料电池堆中，这导致用于供给以反应物的流动通道被堵塞。另一方面，如果过少的水处于燃料电池中，则膜的质子传导能力受到限制，从而必须注意膜的足够的湿度和水供给。
[0010]成问题的是，在燃料电池装置启动时存在冰冻条件、即水结冰的条件。这可导致用于反应物气体和产物水的必要的流动通道被冰堵塞。由此产生的危险是氢贫化(Wasserstoffverarmung)，该氢贫化导致在电极材料中发生不可逆的损坏。
[0011]通过将最小的氢气化学计量在燃料电池堆内的每个位置处保持为1，可以防止氢贫化，为此存在电流和气体体积流的参数供使用。为了可以正确调整这些参数，在从燃料电池堆提取电流之前，必须确定最湿润的阳极中的剩余水含量。
[0012]阳极侧上的剩余水含量由阳极剩余水、膜剩余水和阴极剩余水组成。已知的是，在
燃料电池装置关停时、尤其是在冰冻启动条件即将到来时，对燃料电池堆进行干燥。通过这种方式，可以使阳极剩余水含量保持得足够低。然而，仍然发生膜剩余水和阴极剩余水到阳极侧上的扩散，并且在那重新导致出现阳极剩余水。
[0013]EP 3 588 648 A1也指出，燃料电池的湿度水平强烈地影响燃料电池的运行方式。湿度水平与电化学阻抗相关联，从而可以通过测量电化学阻抗来确定和调节湿度水平。电池电压监测单元(英文：Cell Voltage Monitor CVM)被用来监测燃料电池堆中的每个单个燃料电池的电压。WO 2015/044683 A1还描述了如何使用电化学阻抗谱法和电池电压监测单元来监测燃料电池堆的状态。在DE 10 2013 225 626 A1中，电化学阻抗谱法被用来诊断燃料电池堆内的故障。

技术实现思路

[0014]本专利技术的任务是提供一种用于确定阳极剩余水、尤其是用于准备燃料电池装置的冻结启动的方法，并且提供执行该方法的可能性。
[0015]所述任务通过具有权利要求1的特征的方法、具有权利要求8的特征的燃料电池装置和具有权利要求9的特征的机动车来解决。本专利技术的具有适宜改进方案的有利设计方案在从属权利要求中说明。
[0016]通过根据本专利技术的方法实现：不仅可以确定整个燃料电池堆的平均剩余水含量，而且可以利用水运送模型确定最湿润的阴极的剩余水含量(到阳极上的扩散从该剩余水含量出发基于模型)，从而也已知最湿润的阳极中的剩余水量，并且对此还可以确定用于燃料电池装置的重新启动的合适参数。
[0017]如果基于模型确定水运送考虑到在重新启动时的外部温度和/或在关停时的外部温度和/或在关停和重新启动之间的停机时间，则水运送模型的准确性得到改善。
[0018]如果在步骤e)中，将具有最湿润的阴极的燃料电池的最小氢气化学计量保持于1，那么可以确保即使在最强烈地受到威胁的燃料电池中也不出现氢贫化。
[0019]适宜地，经由高频电阻(HFR)确定膜的水含量和/或经由低频电阻(LFR)确定阴极电极的水含量。
[0020]上文提及的优点和效果也适宜地适用于燃料电池装置和适用于具有燃料电池装置的机动车。
[0021]上面在说明书中提及的特征和特征组合以及下面在附图说明中提及的和/或在附图中单独示出的特征和特征组合不仅可以以相应说明的组合使用，也可以以其他组合使用或单独使用，而不脱离本专利技术的范围。因此，在附图中未明确示出或解释，但从所解释的实施方案中的单独的特征组合得知和可产生的实施方案也应视为由本专利技术包括和公开。
附图说明
[0022]本专利技术的另外的优点、特征和细节由权利要求、下面对优选实施方式的描述以及依据附图得出。其中：
[0023]图1示出了燃料电池装置的示意图，
[0024]图2示出了燃料电池堆中由温度驱动的从阴极到阳极的水运送的示意图，其中在右侧上带有象征性的温标，明亮象征着低温，
[0025]图3示出了用于解释高频电阻(HFR)和低频电阻(LFR)的奈奎斯特图的示意图，其中示出了在200Hz时的LFR(三角形)和在1000Hz时的HFR(正方形)，
[0026]图4示出了用于解释膜电极组件的哪些部件利用HFR和LFR进行测量的示意图，以及
[0027]图5示出了针对HRF(以点)和LFR(以虚线)的水质量的阻抗相关性的关联曲线的示意图。
具体实施方式
[0028]在图1中示意性地示出了燃料电池装置1，其中，该燃料电池装置包括多个在燃料电池堆3中联合的燃料电池2。
[0029]每个燃料电池2包括阳极21、阴极22以及将阳极21与阴极22分开的、传导质子的膜23。燃料(例如氢气)可以经由阳极室从燃料箱13被供应给阳极21。在聚合物电解质膜燃料电池(PEM燃料电池)中，燃料或燃料分子在阳极21处被分裂成质子和电子。PEM允许质子穿过，但对于电子而言是不可透过的。例如，在阳极处进行以下反应：2H2→
4H
+
+4e
‑
(氧化/电子放出)。在质子穿过PEM到达阴极22期间，电子经由外部电路本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种用于运行燃料电池装置(1)的方法，所述燃料电池装置具有带有至少一个燃料电池(2)的燃料电池堆(3)，所述方法包括以下步骤：a)在所述燃料电池装置(1)关停时，对所述燃料电池堆(3)进行干燥，b)在所述燃料电池装置(1)重新启动时，借助于电化学阻抗谱法确定膜剩余水和阴极剩余水，c)使用电池电压监测单元来识别所述燃料电池(2)中的一个燃料电池中的最湿润的阴极(22)，d)基于模型确定从所述最湿润的阴极(22)到阳极(21)的水运送，并且因此确定所述燃料电池(2)中的阳极湿度，e)根据所述阳极湿度调整电流和燃料体积流。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，基于模型确定所述水运送考虑到在重新启动时的外部温度。3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，基于模型确定所...

【专利技术属性】
技术研发人员：S，
申请(专利权)人：奥迪股份公司，
类型：发明
国别省市：