带有废气质量流求取的燃料电池系统技术方案

一种燃料电池系统具有至少一个燃料电池、氧化剂管、压缩机、废气管、布置在废气管中的涡轮机(所述涡轮机与压缩机耦合)、与废气管连接并且具有阳极冲刷阀的阳极冲刷管和控制单元。所述燃料电池系统的特征在于，在涡轮机入口处或者在涡轮机入口前面在上游布置有温度检测单元，用以检测流动到涡轮机中的废气的温度，压力检测单元至少与涡轮入口或者位于上游的部件耦合并且构造用于，检测流动到涡轮机中的废气的压力，控制单元构造用于，由废气的所测量的温度、在涡轮机前面的压力和预先给定的涡轮机特性曲线求取废气的瞬时的质量流，并且控制单元构造用于，操控压缩机和/或涡轮机以达到所述废气的最小质量流。到所述废气的最小质量流。到所述废气的最小质量流。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】带有废气质量流求取的燃料电池系统


[0001]本专利技术涉及一种具有至少一个燃料电池的燃料电池系统和一种用于运行燃料电池系统的方法。

技术介绍

[0002]已知下述车辆：在所述车辆中，电功率由燃料电池系统提供，由所述燃料电池系统供给驱动马达。在此，氢与氧化剂(通常是来自环境空气的氧)催化结合成为水，其中，提供电功率。环境空气借助于空气输送系统或者空气压缩系统供入燃料电池的阴极路径。此外，在阴极路径中的空气流将由于反应而产生的水以水蒸汽形式或者液态地以小滴形式进行运输。氧气耗尽的潮湿的阴极废气通过废气路径排放到环境中。
[0003]在大多数情况下，还将冲刷气体和水从阳极路径引入到该废气质量流中。为了燃料电池的阳极侧的安全的运行需要的是，除去在运行期间通过膜电极单元从阴极转移到阳极上的氮和形成的冷凝物。氮的除去也被称为“清洗”，水的除去也被称为“滤干”。清洗和滤干通常在燃料电池的阴极出口侧上进行。然而在这里，由原理决定地不可能防止，除了所期望的氮和水之外，也有非期望的氢在阴极出口侧到达废气管中。由于安全原因必须确保，在阴极废气中的平均的氢浓度不超过一确定的值、例如4Vol.％。为了确保这一点，必须为在清洗和滤出时最大可能的水量提供足够大的废气量用于它们的稀释。在燃料电池系统中，通常根据热量或者差压原理进行空气质量测量。不超过在废气中的预先给定的最大平均氢浓度的必要性是对认证至关重要的安全功能。

技术实现思路

[0004]本专利技术的一个任务在于，提出一种替代的燃料电池系统和一种用于运行燃料电池系统的方法，在所述方法中，即使质量流传感器或者类似的具有缺陷，也可靠地实现从阳极冲刷的氢在废气中的充分稀释。
[0005]该任务通过一种具有独立权利要求1的特征的燃料电池系统解决。有利的实施方式和扩展方案可由从属权利要求和随后的说明中得知。
[0006]提出一种燃料电池系统，其具有至少一个燃料电池、氧化剂管、压缩机、废气管、布置在所述废气管中的涡轮机(所述涡轮机与所述压缩机耦合)、与所述废气管连接并且具有阳极冲刷阀的阳极冲刷管和控制单元。燃料电池系统的特征在于，压力检测单元至少与涡轮机入口或者位于上游的部件耦合并且构造用于检测流动到涡轮机中的废气的压力，使得控制单元构造用于由在涡轮机前面的所测量的压力和预先给定的涡轮机特性曲线求取废气的减少的质量流，并且控制单元构造用于操控压缩机和/或涡轮机以达到废气的最小质量流。
[0007]至少一个燃料电池能够是聚合物电解质膜(PEM)燃料电池。所述聚合物电解质膜(PEM)燃料电池在阳极侧以氢或者具有氢的气体供给和在阴极侧以氧或者具有氧的气体供给。在运行时，水主要积聚在阴极，所述水通过废气管到达环境中。作为氧化剂，尤其空气能
够提供用于车辆中的运行，从而氧化剂管尤其能够是空气管。
[0008]阳极冲刷阀能够由控制单元操控并且按需要引起阳极的冲刷(所谓的“清洗和滤干”)。这意味着，阳极被贯穿冲刷，使得尤其将氮和液态的水从阳极或者与它处于流体连接的部件冲刷出去。由此，除了水和氮之外，也有氢到达废气管中。阳极冲刷阀布置在阳极出口下游并且也能够设置在用于氢的再循环路径中。
[0009]本专利技术的核心思想基于：对供入空气的绝对质量流的直接检测附加地或者替代地，为了限制在废气中的氢的浓度，执行由其他所测量的参数对至少所减少的质量流的求取，其中，为此而使用涡轮机的已知的特征曲线。涡轮机特性曲线表明了涡轮机的运行行为并且在此示出在确定的参考温度下由于涡轮机的压力情况的减少的质量流。涡轮机特性曲线会被不同的参量影响，所述参量尤其包括涡轮机叶轮的尺寸、涡轮机壳体、涡轮机几何形状和其他的。涡轮机的所谓吸收特性(Schluck
‑
Charakteristik)是减少的质量流、涡轮机的膨胀比和转速的函数。减少的质量流用于比较在不同的涡轮机入口条件下出现的特性曲线。
[0010]在知道或者假定环境压力和在废气系统中压力下降的情况下，通过检测至少在涡轮机入口或者在废气管中位于上游的部件处的压力能够确定经过涡轮机的膨胀比。在知道涡轮机转速的情况下能够基于此识别在涡轮机特性曲线上的瞬时运行点。这实现了对减少的质量流的确定。在知道进入涡轮机中之前的温度的情况下，附加地实现对实际的质量流的计算。然而，知道减少的质量流能够足够用于在已知的燃料电池系统(其具有在涡轮机特性曲线内部的已知运行特性)的预先给定边界的情况下确保最小质量流。
[0011]在一种简单的情况下能够测量所有要求的参数。因此，这也包括对在涡轮机出口处的压力的测量以及涡轮机的转速。如在涡轮机下游的压力这样的参数也能够基于燃料电池系统的根据实验求取的运行行为来计算。
[0012]优选地，温度检测单元布置在涡轮机入口处或者在上游地布置在涡轮机入口前面，以检测流动到涡轮机中的废气的温度，其中，控制单元构造用于在知道温度的情况下由减少的质量流求取绝对质量流。由此能够将实际的质量流与预先给定的最小质量流进行比较并且相应地进行调节。这尤其是对于对燃料电池系统的安全运行的监控能够是有意义的。
[0013]在一种有利的实施方式中，控制单元构造用于操控阳极冲刷阀，使得在这个过程中最大可能量的氢能够被瞬时的质量流可靠地稀释。由此能够直接地限制在废气中的氢的浓度。
[0014]此外有利的是，压缩机附加地与电动机连接，其中，电动机构造用于提供转速信号。控制单元能够构造用于，通过转速信号支持对瞬时的质量流的求取。如以上所阐述地，由此使得在涡轮机特性曲线中找到涡轮机的瞬时的运行点变得容易。压缩机能够与电动机连接，所述电动机通过逆变器与至少一个燃料电池耦合。通过涡轮机与电动机组合地使用能够进一步改善燃料电池系统的效率。尤其是，现代的无刷电动机允许瞬时的转速的简单传输。
[0015]特别有利的是，在环境压力已知且排气设备的压力下降特性已知的情况下，计算在涡轮机出口处的压力。然后，借助于在涡轮机入口处的压力测量，也能够计算经过涡轮机的膨胀比。对此替代地，压力检测单元也能够具有例如两个压力传感器(一个在涡轮机入口
处并且一个在涡轮机出口处)。由此能够求取膨胀比。因为燃料电池系统的控制仪总是检测环境压力。那么，用这些信息和相对压力能够计算出绝对压力。就这点而言，是使用绝对压力传感器还是使用相对压力传感器是不重要的。
[0016]在一种有利的实施方式中，控制单元构造用于由在涡轮机入口处的压力和在涡轮机出口处的压力的计算值求取经过涡轮机的膨胀比。在燃料电池系统的运行行为已知的情况下，知道在涡轮机入口处的压力足够用于确定膨胀比。尤其是在涡轮机出口与环境直接耦合的情况下或者在使用已经布置在废气管中的压力传感器时，能够求取经过涡轮机的实际的膨胀比。
[0017]此外有利的是，控制单元构造用于求取环境压力。位于涡轮机出口与环境之间的流动路径具有取决于构型的流动阻力。在求取质量流时，能够通过单个的连续计算步骤迭代地求取在所提到的流动值上的压差，该流动值尤其取决于在先前的计算步骤中所求取的质量流。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种燃料电池系统(2)，其具有：至少一个燃料电池(4)；氧化剂管(16)；压缩机(24)；废气管(32)；布置在所述废气管(32)中的涡轮机(30)，所述涡轮机与所述压缩机(24)耦合；与所述废气管(32)连接且具有阳极冲刷阀(46)的阳极冲刷管(47)；和控制单元(54)，其特征在于，压力检测单元(56，58)至少与涡轮机入口(31)或者位于上游的部件耦合并且构造用于检测流动到所述涡轮机(30)中的废气的压力，使得所述控制单元(54)构造用于至少由在所述涡轮机(30)前面的压力和预先给定的涡轮机特性曲线来求取所述废气的减少的质量流，并且使得所述控制单元(54)构造用于操控所述压缩机(24)和/或所述涡轮机(30)以维持最大的氢浓度。2.根据权利要求1所述的燃料电池系统(2)，其特征在于，在涡轮机入口(31)处或者在所述涡轮机入口(31)前面在上游布置有温度检测单元(60)，用以检测流动到所述涡轮机(30)中的废气的温度，并且，所述控制单元(54)构造用于在知道温度的情况下由所述减少的质量流求取绝对的质量流。3.根据权利要求1或2所述的燃料电池系统(2)，其特征在于，所述控制单元(54)构造用于操控所述阳极冲刷阀(46)并且在冲刷所述至少一个燃料电池(4)时调节所述质量流。4.根据以上权利要求中任一项所述的燃料电池系统(2)，其特征在于，所述压缩机(24)附加地与电动机(26)连接，其中，所述电动机(26)构造用于提供转速信号，并且所述控制单元(54)构造用于由所述转速信号支持对瞬时的质量流的求取。5.根据以上权利要求中任一项所述的燃料电池系统(2)，其特征在于，所述压力检测单元(56，58)具有差压传感器或者两个压力传感器(56，58)并且构造用于检测在...

【专利技术属性】
技术研发人员：W，
申请(专利权)人：罗伯特，
类型：发明
国别省市：