燃料电池组的供给系统和报警装置以及用于控制供给系统的方法

摘要

燃料电池组早已公知的工作方法的基础是，通常为氢的燃料与通常为外界空气的氧化剂产生电化学反应，其中，产生电能或从化学能量中转换电能。反应时膜片发挥重要作用，该膜片通常作为PEM(质子交换膜)构成并在电化学过程期间分离氧化剂与燃料。本发明涉及一种燃料电池组(2)的供给系统(3)，具有可调整的加湿装置(13、8)，该加湿装置的构成和/或者设置是为了在取决于调节信号的情况下加湿输送到燃料电池组(2)的输送气体，具有除湿装置(7)，该除湿装置的构成和/或者设置是为了对由导过燃料电池组(2)的输送气体形成的废气进行除湿并将其作为除湿废气排出，以及具有用于产生调节信号的控制装置(14)，其中，控制装置(14)按编程技术和/或者电路技术设计，在除湿废气的气体温度(T

说明书

技术领域

本发明涉及一种燃料电池组的供给系统，具有可调整的加湿装置，该 加湿装置的构成和/或者设置是为了在取决于调节信号的情况下加湿输送 到燃料电池组的输送气体，具有除湿装置，该除湿装置的构成和/或者设置 是为了对由导过燃料电池组的输送气体形成的废气进行除湿并将其作为除 湿废气排出，以及具有用于产生调节信号的控制装置以及报警装置。本发 明还涉及一种用于控制该供给系统的方法。

背景技术

燃料电池组在不远的将来对汽车的移动能量提供是一种可能的选择。 燃料电池组早已公知的工作方法的基础是，通常为氢的燃料与通常为外界 空气的氧化剂产生电化学反应，其中，产生电能或从化学能量中转换电能。 反应时膜片发挥重要作用，该膜片通常作为PEM(质子交换膜)构成并在 电化学过程期间分离燃料和氧化剂。膜片在燃料电池组工作期间必须在确 定的限度内加湿保持，因为加湿过低会导致膜片干透和加速磨损，而加湿 过高则会导致降低燃料电池组的功率。加湿通常通过对所输送的工作气体 的加湿进行。

文献DE 10219626A1公开了一种燃料电池组，其中，为控制加湿使 用湿度传感器，该传感器检测入流工作气体的湿度并在湿度传感器的信号 的基础上控制用于控制湿度的调整装置，该调整装置作为通向燃料电池组 前置加湿器的、流量可调的旁通管构成。作为对湿度传感器的替代，该文 献还提出将“虚拟控制”用于控制湿度，其中，然后调整装置在取决于燃 料电池组的功率的情况下进行控制。

文献WO 02/23660A2采用另一种途径，其同样提出一种用于加湿燃 料电池或其膜片的方法。在该方法或相应的装置方面，作为阀构成的调整 装置的控制在取决于燃料电池冷却水温度的情况下进行。

也许形成最新现有技术的文献JP 2005149897A(公开号)介绍了一种 用于燃料电池的加湿系统。与首先提到的文献相类似，在这里也提出一种 旁通管方式的调整装置，该调整装置绕过加湿装置，其中，调整装置通过 控制装置借助调节信号进行控制，基于对流向燃料电池系统的气体或在除 湿器前的区域内对从燃料电池系统流出的气体的温度检测产生调节信号。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种燃料电池组的供给系统和报警装置以及 一种用于控制供给系统的方法，该方法可以技术上简单的方式可靠控制燃 料电池组的膜片范围内的湿度。

该目的通过具有权利要求1所述特征的供给系统、具有权利要求9或 11所述特征用于控制供给系统的方法和具有权利要求13所述特征的报警 装置得以实现。本发明优选或者具有优点的实施方式来自从属权利要求、 后面的说明书和/或者附图。

依据本发明提出一种燃料电池组的供给系统，燃料电池组最好具有大 量特别是PEM结构(质子交换膜)的燃料电池(单体)。例如100个以 上的燃料电池来组成一组。

供给系统具有可调整的加湿装置作为调节单元，该装置的构成和/或者 设置是为了在取决于调节信号的情况下加湿输送到燃料电池组的输送气 体。输送气体作为阴极或者阳极气体，例如作为外界空气或氢构成，其中， 特别是燃料从可填充的箱中有选择地无改变地输送。加湿装置提高输送气 体的相对湿度，其中，相对湿度最好定义为瞬间水蒸气压力与饱和水蒸气 压力之间的百分比。特别是在100％的相对湿度情况下，输送气体的水蒸 气完全饱和。在超过100％的情况下，过剩的湿度大多作为冷凝水或雾气 凝聚。相对湿度的提高在取决于调节信号的情况下被调整，从而由调节信 号控制的调节单元调整输送气体相对湿度的高低。

此外，除湿装置与供给系统整体构成，该装置对来自燃料电池组的相 当于消耗或者部分消耗的输送气体的废气进行除湿，从而形成除湿废气。 利用除湿装置从废气中提取可利用的液体，特别是水，并可将其在循环中 输送到供给系统并因此重新输送到燃料电池组。

最后具有用于产生调节信号的控制装置，其中，调节信号最好是电的， 特别是数字的，但也可以机械的。

依据本发明提出，控制装置特别是按编程技术和/或者电路技术构成， 调节信号在除湿废气的气体温度基础上产生。控制装置在此方面优选作为 处理器单元构成，例如像微控制器、DSP、ASIC或者诸如此例的装置。为 检测除湿废气的气体温度，温度传感器最好与供给系统整体构成，其中， 为避免测量误差或者为使测量误差最小化，温度传感器最好直接设置在除 湿装置的输出端上和/或者靠近其设置或者与除湿装置整体构成。

在本发明的一种实践变化中，调节信号在废气与除湿废气之间温差的 基础上产生。为确定该温差，例如可以使用一个温差传感器或者两个单独 的温度传感器。取代检测废气的温度也可以在其他测量部位上检测温度， 只要该温度与废气的温度如前所述足够相关。换句话说，废气温度测量的 相对测量也处于本发明的框架内。

利用本发明达到的优点是，以合理的成本和位置需求，变化对燃料电 池组输入端或输出端上并因此还有燃料电池膜片上的湿度的控制，特别是 调节或者控制。

本发明在此方面从这种思考出发，即通过在除湿装置内提取废气中的 湿度，使废气的相对湿度通过除湿装置的有效长度下降，从而废气再次能 够借助重新蒸发吸收液态水。但这种蒸发需要从废气中吸收能量，这种吸 收导致废气的冷却。除湿装置输入端与除湿装置输出端之间或废气与除湿 废气之间产生的温差证明：液态水存在并被蒸发。水蒸发得越多，也就是 说，来自燃料电池组的废气越潮湿，温差也就越大。在该思考的变化中， 燃料电池组中废气的输出湿度可以在除湿废气的温度基础上或者在废气与 除湿废气之间温差的基础上足够精确地确定。在获知燃料电池组输出湿度 和其他工作参数时，可以估计或者确定燃料电池组上输送气体的输入湿度。 温度测量或温差测量因此对燃料电池组上输送气体的输入湿度形成一种相 对测量，其中，调节信号可以通过控制装置产生，该调节信号这样影响加 湿装置，即为燃料电池组设定希望的湿度条件。

与公知的现有技术相比的其他优点也这样产生，即燃料电池组或者加 湿装置加工造成的公差可以通过控制装置或者通过控制装置的校准得到考 虑，因为供给系统提供有关燃料电池组实际工作状态的应答信号。

换句话说，通过燃料电池组输出端上气体湿度与在燃料电池组输出端 与除湿装置输出端之间的温差的关系，可以在确定的范围内足够精确地确 定来自燃料电池组的废气的相对湿度。因此供给系统也可以借助可调整的 加湿装置的调节单元这样改变燃料电池组输入端的湿度，使燃料电池组输 出端和输入端上出现所要求的湿度水平。

在一种优选的实施方式中，控制装置中实现多变量调节和/或者控制， 从而在使用其他输入值，例如像燃料电池组温度、压力、输出的燃料电池 组电流和/或者空气化学计量关系的情况下产生和/或者能够产生调节信号， 和/或者可以调整其他调节单元例如像燃料电池组的冷却水温度、系统压力 和/或者空气化学计量关系。在获知其他的可选输入变量时，例如可以更加 精确地确定燃料电池组输出端与输入端上相对湿度之间的关系。

在一种优选的扩展方案中，加湿装置和除湿装置作为气体对气体加湿 器构成，该加湿器特别是具有被动的/无源的工作方式。通过这种优选的扩 展方案，使供给系统达到一种特别紧凑的构成，此外将从废气中提取的液 体输送到输送气体中以节省燃料。例如，气体对气体的加湿器具有湿范围 和干范围，它们通过可以扩散液体的膜片分离。特别是除湿装置这样构成， 使工作时在湿范围内存在可以通过部分除湿的气体重新吸收的液态水。

加湿装置的调节单元在一种优选的结构变化中作为具有可调阀装置的 旁通管构成，其中，旁通管绕过加湿装置。这种实施方式考虑，加湿装置 或除湿装置或气体对气体加湿器有选择地根据燃料电池组的满负荷设计， 从而燃料电池组输入端的空气湿度在部分负荷时过高并利用通过阀装置进 行流量控制的旁通管下降。阀装置在此方面最好作为节流装置构成。

在一种优选的实施方式中，供给系统的特征在于废气相对湿度的工作 范围在80％与100％之间。一方面，该工作范围有利于燃料电池组膜片的 正常工作，另一方面，在该工作范围内进行温度测量特别具有说服力。

在一种耐用的变化中，为产生调节信号具有调节电路，其中，调节值 基于除湿废气的气体温度和/或者废气与除湿废气之间温差，或者以所述温 度和/或温差形成。

本发明的下一个主题涉及一种用于控制刚才所述供给系统的方法，其 中，利用第一运行模式，在该运行模式中，用于冷却燃料电池组的冷却水 温度在取决于负荷，也就是取决于所产生的电流和/或者所产生的能量情况 下被调整，在取决于废气与除湿废气之间温差的情况下控制调节信号。在 这种第一运行模式中，冷却水温度例如通过固定的特性曲线族或者查找 (Look-Up)表取决于负荷被调整，燃料电池组输入端上的湿度利用调节 单元借助温差被控制或者调节。由此可以借助其他工作条件，例如像燃料 电池组电流、空气化学计量关系、冷却水温度、压力和输送气体的输入温 度确定和控制燃料电池组内的湿度。空气化学计量关系表明输送到燃料电 池的空气量与燃烧所需空气量之比。取代空气化学计量关系，一般也可以 将空气质量流量作为工作参数使用。这种第一运行模式的优点特别是在于， 冷却水输入温度可以相当迅速地借助特性曲线族被调整，以及湿度仅通过 调节单元进行控制。

在第一运行模式的一种补充中，尽可能降低燃料电池组内的系统压力 (气体压力)。湿度的调整利用调节单元进行，从而在所要求的湿度中可 以达到尽可能高的系统效率。这种变化的附加优点在于，低的系统压力产 生低的声辐射，以及供给系统可以动态和同时简单地被调节。

在第二种可能的运行模式中，无论是冷却水温度还是调节信号均在取 决于除湿废气的温度和/或者废气与除湿废气之间温差的情况下调整或调 节。利用这种第二运行模式，燃料电池组内可以在尽可能低的冷却水温度 下在输入和输出湿度方面调整出所要求的湿度分布(Feuchtigkeitsprofil)， 例如在冬季运行时，这样对单个燃料电池的使用寿命有利。

在第二运行模式的进一步变化中，此外系统压力和/或者空气化学计量 关系在取决于除湿气体的温度和/或者废气与除湿废气之间温差的情况下 被调节、调整和/或控制。在这种变化中，优点在于尽可能低的冷却水温度 并因此延长了燃料电池的使用寿命，由于系统压力低而系统效率高以及低 的声辐射可以视为优点。

概括地说，提供一种用于在燃料电池组输出端与除湿装置输出端之间 的温度或温差的基础上控制——特别是控制或者调节——燃料电池组输入 端和/或者输出端上湿度的系统。通过燃料电池组输出端上的空气湿度与在 燃料电池组输出端与除湿装置输出端之间的温差的关系，可以在确定的工 作范围内近似确定来自燃料电池组的废气的湿度含量。燃料电池组输入端 湿度可以利用调节单元这样改变，使在燃料电池组输出端并因此在输入端 上调整出所要求的湿度水平。如果工作条件如温度、压力、燃料电池组电 流和空气化学计量关系已知的话，燃料电池组的输出端湿度与输入端湿度 直接相关。这种控制原理可以持续调整燃料电池组内不同的湿度水平，这 对于在夏季或冬季运行中的调节可能是必需的，其中，夏季和冬季运行区 别在于加湿装置干燥侧的输出端上所要求的不同湿度水平。通过检测温差 可以在汽车上的燃料电池组工作期间获得有关燃料电池组湿度状态的应答 信号，并可以——如果必要——采取即时措施或进行配合。由此在燃料电 池组运行的正常状态下更加稳定，特别是减少了出现燃料电池的功率降低 情况，并在故障情况下可以立即做出反应，这一点对于燃料电池的使用寿 命来说是需要的。在一种通过系统压力调节可选择的补充中，也可期望对 系统效率产生积极影响。在此方面，所介绍的湿度的测量原理可以成本相 当低地实现。

本发明以相同的独创性设想为基础的下一个主题是，用于最好按前述 权利要求之一所述燃料电池组的供给系统的报警装置，具有除湿装置，该 除湿装置的设置和/或者构成是为了对从燃料电池组排出的废气进行除湿 并将其转换成除湿废气，还具有用于产生控制信号的控制装置。依据本发 明，控制信号在废气与除湿废气之间温差的基础上产生。报警装置特别是 在检测和计值原理方面可选择具有前面所述供给系统特征的任意选择。

附图说明

本发明的其他优点、特征和作用来自本发明优选实施例的下列说明以 及附图。其中：

图1示出作为本发明的实施例的、具有供给系统的燃料电池装置的示 意图；

图2示出用于说明本发明工作原理的测量曲线图。

具体实施方式

图1示出燃料电池装置1，该装置例如可以在运输工具上，特别是在 汽车上作为移动能源使用。燃料电池装置1仅示意性地以一部分示出，并 具有燃料电池组2以及示意示出用于为燃料电池组2供给工作气体的供给 系统3。在图1中，通过气体供给系统3向燃料电池组2的阴极侧供给。 在可选择的实施方式中，通过这种相应配合的气体供给系统3也可以供给 燃料电池组2的阳极侧。

气体供给系统3在燃料电池组2上与进气口4和排气口5按流动技术 连接，从而使输送气体流经进气口4、此后流经燃料电池组2并作为废气 通过排气口5离开燃料电池组2。为预处理输送气体或废气，气体供给系 统3具有加湿装置6，该装置包括用于废气除湿的除湿段7和用于输送气 体加湿的加湿段8。除湿段7和加湿段8通过膜片9彼此分离。加湿装置6 例如作为被动的气体对气体加湿器构成。

气体供给系统3内的气流分布在输入接口10上开始，通过该接口将氧 化剂，特别是外界空气输送并导向加湿段8。在加湿段8内利用水加湿氧 化剂从而提高其相对湿度，随后将其作为输送气体导向进气口4。在横穿 燃料电池组2后，现在转换成废气的输送气体通过排气口5排出并被导向 加湿装置6的除湿段7，在该除湿段内对废气进行除湿从而产生除湿废气。 除湿废气最后被导向输出端接口11并例如被排到外界。从废气提取的液体 (水)通过膜片9被导入加湿段8以用于加湿输送气体。

为调整输送气体的相对湿度，气体供给系统3具有旁通管12，其可通 过节流装置13在流量上进行调整。旁通管12与节流装置13的组合因此形 成用于调整输送气体湿度含量的调节单元。该调节单元非常合理，因为加 湿装置6通常根据输送气体的最大流量设计，特别是在燃料电池组2的部 分负荷情况下会将过高的湿度加入输送气体内。通过旁通管12，一部分输 送气体绕过加湿装置6流动，从而仅是剩余的部分被加湿并随后重新与输 送气体的干燥部分混合，其中，作为结果形成部分加湿的输送气体。

为控制可调的节流装置13具有控制装置14，该控制装置接收第一温 度传感器15和第二温度传感器16的测量信号作为输入信号，该第一温度 传感器15为检测除湿废气T_废气(干)的温度设置在加湿装置6的输出端 上，该第二温度传感器16设置在燃料电池组2的排气口5上和/或者加湿 装置6的输入端上并设计成用于检测废气T_废气(湿)的温度。温度的差值 ΔT表示对从排气口5排出的废气的湿度——特别是相对湿度——的相对 测量。在有选择地使用其他测量值的情况下，例如像温度传感器17的冷却 水输入温度T_KW(入)、传感器18的冷却水输出温度T_KW(出)、传感 器3在加湿装置6前的输送气体温度T_OX(入)或在进气口4上通过传感 器19的T_OX(出)和/或者通过系统压力传感器20的压力信号p，可以确 定进气口4上输送气体的湿度，特别是相对湿度。

进气口4或排气口5上的湿度在一在控制装置14内实现的调节电路中 作为调节值使用，其中，调节电路对作为调节单元的节流装置13进行访问。 利用调节电路可以通过节流装置13有针对性地通过调节信号调整燃料电 池组2内部的湿度水平。

作为选择，控制装置14也可以作为报警装置使用，其中，在超过或低 于输送气体或废气的预先规定的湿度极限时，可以向报警装置21发出报警 信号。

图2示出废气与除湿废气之间的温差和输送气体相对湿度之间的关系 (f(相对湿度，ΔT))。

正如从图形ΔT的曲线分布中清楚看到的那样，温差在相对湿度低于 80％的情况下等于0，在空气湿度高于100％的情况下保持在恒定值。这意 味着，在相对湿度为80％到100％之间，温差对废气的相对空气湿度是一 种有说服力的相对测量值。