一种用于调节在燃料电池中的空气湿度的装置和方法，其检测在中断耗电器的供电时燃料电池的输出电压的阶跃响应，并且从所检测的阶跃响应中测定动态的时间特性的参数，并且从而算出燃料电池的电容。依据与预先给定的电容的可能的偏差，促使加湿控制单元提高或减少加湿。因此，燃料电池的湿度平衡的就地检测是可能的，所述燃料电池能够使它的电功率在较长的时间段内保持恒定，这特别是能够延长维护周期。
【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及ー种用于调节燃料电池的空气湿度的装置；ー种燃料电池系统；ー种用于调节燃料电池的空气湿度的方法；这类燃料电池系统在飞机中的使用以及ー种具有至少ー个发动机、至少ー个耗电器和至少ー个燃料电池系统的飞机。
技术介绍
为了从化学载能体中获得电能，目前越来越多地使用具有电极的燃料电池，所述电极通过薄膜或电解质彼此分开。低温质子交換膜燃料电池(PEMFC)能够具有气密的、传导质子的离子膜，所述离子膜例如由磺化的四氟こ烯聚合物(PTFE)制成。这类薄膜也以名称“ Nafion -薄膜”已知。对于非常敏感的薄膜，保持足够的含水量并且从而保持反应气体的恒定的湿度是必要的，以至于能够确保在燃料电池的整个工作期间薄膜的完整。在现有技术中，在燃料电池系统或燃料电池垛中的空气湿度通常情况下根据经验值借助于加湿控制单元来控制，所述加湿控制单元依据燃料电池的工作參数，例如所抽取的电流，根据“正向输送”原理来设置燃料电池的进气，并且如有可能也进行燃料电池的除湿。因为在常规的加湿控制系统中，没有在參数的设置中考虑关于当前湿度的信息，为了维持足够的湿度必要的是，为了保护敏感的薄膜，不能低于最小湿度。这导致传统的加湿控制系统趋向于引起高的湿气，所述湿气能够导致燃料电池的效率的下降。借助于外部的热力学的过程变量、电压和电流来測量薄膜的就地(在工作期间)电容或湿度是不可能的。
技术实现思路
相应地，本专利技术的目的在于提供ー种用于调节燃料电池的空气湿度的装置，所述装置允许在较长的工作时间内空气湿度的特别准确的调节，使得在工作时，燃料电池不会趋向于变得太潮湿或太干燥，并且不会中断通过燃料电池的电能供应。所述目的通过ー种具有独立权利要求I所述的特征的用于调节在燃料电池中的空气湿度的装置来实现。在从属权利要求中获得有利的改进方案。在本专利技术的说明中以燃料电池具有加湿控制单元为前提条件，所述加湿控制单元设置成用于设置在燃料电池中的空气湿度。此外假定，所述加湿控制单元能够从外部控制，即通过相应的信号能够实施预先给定的空气湿度。在现有技术中存在大量完全不同的加湿控制单元，所述加湿控制单元例如能够将传导到燃料电池的进气加湿，并且有时也能够实施负极室等的去湿。本专利技术的主题不涉及加湿控制单元的具体技术实施，而是相反涉及测定用于特别精确地设置湿度所需的參数，并且借助于这些參数来驱动加湿控制单元，使得在燃料电池中存在尽可能精确的湿度。根据本专利技术的第一方面，用于调节在燃料电池中的空气湿度的装置具有至少ー个处理器単元和至少ー个检测单元，其中处理器単元具有第一信号输入端和第一信号输出端，其中所述第一信号输入端设置成用干与检测单元中的信号连接，所述第一信号输出端设置成用干与燃料电池的加湿控制单元的控制输入端连接。检测单元具有至少ー个第一电压输入端，所述第一电压输入端设置成用干与燃料电池连接和用于检测燃料电池的输出电压，其中，处理器单元附加地设置成用于从在燃料电池上的电压分布中測定燃料电池的时间常数，并且依据所測定的时间常数来驱动加湿控制单元。在最简单的情况下，检测单元能够构成为A/D转换器，所述检测単元能够在其第一电压输入端上检测模拟电压，并且能够在处理器单元的第一数据输出端上提供转换为数字数据的电压值。依据所期望的时间常数，A/D转换器的相应的精确度是必要的，所述精 确度例如通过采样频率(采样率)和分辨率确定。为了详细阐述对于本专利技术重要的方面，首先要指出的是，燃料电池原则上能够借助于等效电路图表示，即通过将由薄膜的材料和物理边界条件确定的薄膜电阻、电荷传递电阻和双层电容相互连接。在此，电荷传递电阻和双层电容并联地接通，而薄膜电阻与所述并联电路串联连接。等效电路图的总电阻能够称为极化电阻。使两个气体腔彼此分开的薄膜将对于总反应所必需的质子从氢气侧传导到空气侧上。除了传输水的可能性，薄膜也能够吸收水，其中薄膜的含水量通常力求与周围湿度达成平衡。普遍地，质子电导率随着薄膜的含水量的増加而增加。在本专利技术的说明书中称为“薄膜电阻”的欧姆电阻最終能够由薄膜的质子电导率和需要时设置在电极上的扩散层的电子电导率以及气体通道结构的电子电导率确定，其中所述扩散层用于使反应气体更好地分布，并且同时用于导出抽取的电流，而气体通道结构能够集成在导电的端板中，以用于为燃料电池供应反应气体。与薄膜的质子电导率不同，电子电导率通常能够视为是恒定的。薄膜电阻随着下降的湿度而成指数增长。在燃料电池中的反应发生在两个电极(正极和负极)中。在相界上，两个电位相对置，由此形成具有基本上依据燃料电池的几何结构的双层电容的电化学双层。所述电化学双层同样与燃料电池的湿度有关。因此，极化电阻普遍与燃料电池的湿度有关，并且具有用于每种燃料电池类型的特性曲线。燃料电池和表示所述燃料电池的等效电路图具有通过上述部件表示特征的非线性的时间特性，由于所述时间特性，施加在燃料电池上的输出电压例如不定期地对于通过耗电器造成的抽取电流的阶跃变化做出反应，但是，在抽取电流保持不变的情况下，所述输出电压是恒定的。特别重要的是，与能量的存储相关联的电容特性，并且由此呈现出与PTi部分相符的时间延迟的特性。因此，燃料电池的动态特性能够通过与湿度相关的时间常数限定。现在，根据本专利技术的装置的目的是利用所述动态特性，以便能够最优地设置湿度调节。根据本专利技术地，检测单元与燃料电池连接，以用于检测在那里施加的输出电压，所述输出电压在稳定情况下理想地保持不变。为了识别目前存在于相关的燃料电池中的时间常数，需要研究燃料电池的动态特性。因为，在稳态工作时，不期待这样的波动的抽取电流，所述抽取电流能够有规律地明确确定动态特性，所以根据本专利技术，实施在燃料电池和耗电器之间的短暂中断，并且以阶跃响应的形式检测和评估在燃料电池上減少的输出电压。所述表示特征的、至少部分地以指数函数的形式出现的下降的分布从检测単元传导到处理器単元上，所述处理器単元从所述分布中确定时间常数。用于分析用于确定动态系统的參数的阶跃响应的数学方法在现有技术中是充分已知的。所述方法的目的是将通过测量确定的当前时间常数或燃料电池的与时间常数相 似的无量纲的量τ和开始的时间常数或相同的燃料电池的无量纲的且与时间常数相似的量相比较，并且所述无量纲的量例如能够直接在制成燃料电池之后在理想的湿度条件下测定。通过所述比较，能够识别在时间常数方面的偏差，所述偏差能够允许关于目前的加湿状态的结论。变短的固有时间例如能够表示过量的加湿。调节策略能够如下设置，首先在考虑时间常数的情况下，逐渐增强燃料电池的加湿，直至时间常数变差，即减小。随后，能够将加湿再逐步地減少，直至不再可能改进时间常数。再随后，再次增强加湿，直至时间常数再次下降。因此，加湿围绕其最优值摆动。 在由多个燃料电池组装成的燃料电池堆的情况下，在考虑燃料电池中的ー个的“最差的”的单个时间常数的情况下，根据所述策略调节整个堆。因此实现了，在整体考虑时，燃料电池堆内的加湿位于最优的加湿界限上。依照根据本专利技术的装置的ー个有利的改进方案，处理器单元设置成用于除了时间常数或与时间常数相似的无量纲的值τ，測定至少燃料电池的薄膜电阻和/或电容。这能够通过在突然断开耗电器的情况下将燃料电池的电压的阶跃响应基本上划分成两部分而实现。第一快速的电压形成的特征在于本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2010.01.22 DE 102010005400.3;2010.01.22 US 61/297,1.用于调节在燃料电池(16)中的空气湿度的装置，具有 -至少一个处理器单元(20)； -至少一个检测单元(22)和 -至少一个断续器单元(24)； 其中，所述处理器单元(20)与所述断续器单元(24)连接，并且具有与所述检测单元(22)的信号输出端(30)连接的第一信号输入端(32)和能够与所述燃料电池(16)的加湿控制单元(18)的控制输入端连接的第一信号输出端(34)； 其中，所述检测单元(22 )设置成用于与所述燃料电池(16 )连接和用于检测所述燃料电池(16)的输出电压， 其中，所述处理器单元(20 )设置成用于在时间段T内通过触发所述断续器单元(24 )而中断在所述燃料电池(16)和耗电器(28)之间的连接，并且从所述燃料电池(16)的输出电压的由此引起的阶跃响应中测定所述燃料电池(16)的时间常数，并且依据已测定的所述时间常数与预先给定的时间常数的偏差驱动所述加湿控制单元(18)。2.根据权利要求I所述的装置， 具有多个检测单元(22)，所述检测单元用于单独地检测燃料电池堆(14)的多个燃料电池(16)的输出电压。3.根据权利要求2所述的装置， 其中，检测单元(22)设置成用于能够与多个相互连接的燃料电池(16)连接。4.根据前述权利要求之一所述的装置，其中，所述处理器单元(20)设置成用于将所测定的所述时间常数与预先给定的电容相比较，并且在预先给定的时间常数下降了超过预先给定的公差时，促使所述加湿控制单元(18)减少所述燃料电池(16)的加湿。5.根据前述权利要求之一所述的装置，其中，所述处理器单元(20)设置成用于在达到预先给定的时间常数时，促使所述...
【专利技术属性】
技术研发人员：卡斯滕·勒德雷尔，汉斯格奥格·舒尔德齐希，
申请(专利权)人：空中客车德国运营有限责任公司，
类型：发明
国别省市：
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。