[发明专利]用于运行燃料电池系统的方法、控制设备和燃料电池系统

说明书

本发明涉及一种用于运行燃料电池系统(100)的方法，所述燃料电池系统具有燃料电池堆(20)、压缩器(10)、压力维持阀(40)和控制设备(50)，所述燃料电池堆具有多个分别具有至少一个阴极区段(K)和至少一个阳极区段(A)的燃料电池(110)，所述压缩器(10)用于将空气输送所述阴极区段(K)中，其中，所述至少一个阴极区段(K)布置在所述压缩器(10)的下游并且与所述压缩器流体连通地布置，并且布置在所述压力维持阀(40)的上游并且与所述压力维持阀流体连通地布置，其中，所述燃料电池系统(100)具有在所述压缩器(10)和所述压力维持阀(40)之间的高压区域(HDB)。本发明还涉及一种控制设备(50)和一种燃料电池系统(100)。

背景技术

在燃料电池系统、尤其是用于驱动机动车的燃料电池系统中，氧化剂通常使用来自环境空气的氧气，以便在燃料电池中与氢气反应生成水(或者说水蒸汽)并且因此通过电化学转换提供电功率。在此，燃料电池系统的动态特性主要取决于空气系统的动态特性。在此，空气质量流的反应所需的氧气是限制参量。在朝向更高的燃料电池功率、尤其是燃料电池堆功率发生负载跃变的情况下，必须增加空气系统的压缩器的转速或者说功率并且因而增加空气质量流。

此外，燃料电池系统的水管理导致对空气系统的附加要求。在跃变到更高的燃料电池功率的情况下产生更多热量，必须从系统中将这些热量排出。为了能够排出这些热量，通常需要提高运行温度。然而，在稳定状态下增加的温度有利于燃料电池堆的膜片的脱水(Austrocknung)，所述脱水对燃料电池堆的性能以及寿命都有负面影响。为了抵消从系统中的水的排放，因此必须提高运行压力。空气质量流的动态特性取决于压缩器的工作特征曲线(Arbeitskennlinie)和空气流路径。工作特征曲线能够受到燃料电池系统的压力维持阀的位态的影响。空气流路径的动态特性取决于压缩器的动态特性。然而，压缩器的功率是有限的。能够用于加速转子的力矩由电机的驱动力矩减去压缩器的转子的摩擦力矩和来自转子的压力侧的反压力(Gegendruck)的力矩得出。通常，根据压力维持阀的位态，在质量流和压力损失之间存在固定的关系。该关系在此通常取决于稳定运行点的要求。已知的解决方案的共同缺点是：在苛刻的运行条件下、例如在高环境温度下，在非常动态的性能并且因此空气质量流的快速变化作为一方面和燃料电池系统的持续负荷能力作为另一方面之间也存在目标冲突。

发明内容

本发明公开了一种根据权利要求1的特征的用于运行燃料电池系统的方法、一种根据权利要求10的特征的控制设备以及一种根据权利要求11的特征的燃料电池系统。

本发明的其他特征和细节由从属权利要求、说明书和附图中得出。在此，结合根据本发明的方法描述的特征和细节当然也适用于结合根据本发明的控制设备和根据本发明的燃料电池系统，并且反之亦然，使得关于对各个发明方面的公开总是相互参考或者说能够相互参考。

根据第一方面，本发明示出一种用于运行燃料电池系统的方法。所述燃料电池系统具有燃料电池堆、压缩器、压力维持阀(Druckhalteventil)和控制设备，所述燃料电池堆具有多个分别具有至少一个阴极区段和至少一个阳极区段的燃料电池，所述压缩器用于将空气输送到所述阴极区段中。至少一个阴极区段布置在压缩器的下游并且与所述压缩器流体连通地(fluidkommunizierend)布置，并且布置在压力维持阀的上游并且与所述压力维持阀流体连通地布置。燃料电池系统具有在压缩器和压力维持阀之间的高压区域，其中，所述方法包括以下步骤：

a)由控制设备接收增加通到至少一个阴极区段的空气质量流的请求，

b)通过由控制设备至少部分地打开压力维持阀来降低在高压区域中的压力，

c)通过由控制设备进行的压缩器的转速增加来增加通到至少一个阴极区段的空气质量流，

d)通过在恒定或者近似恒定的空气质量流的情况下由控制设备至少部分地关闭压力维持阀来增加在高压区域中的压力。