用于啟動正常操作的方法與流程

本發明涉及根據在權利要求1的前序部分中更詳細定義的類型的用于啟動電氣系統的正常操作的方法，所述電氣系統具有燃料電池和接收所述燃料電池的電力的轉換器。

背景技術：

對于燃料電池系統來說，尤其對于可用于提供運載工具/交通工具/車輛中的電驅動力的燃料電池系統來說，所謂的啟停操作是有意義的，類似于同時具有內燃機的運載工具。這意味著，在運載工具不需要電力或需要非常少的電力的情形中，燃料電池系統改變到空閑模式或關閉操作(所謂的停止模式)，以便在再次需要匹配的電力量的情況下以正常操作重新啟動。通常，在停止模式中停止對燃料電池的空氣供應，使得殘余氧氣在燃料電池中與通常以較低水平供應的氫氣反應，從而使得燃料電池的電壓在一段時間之后下降到零。在燃料電池能夠在離開所述停止模式之后再次完全傳送電力之前，首先必須再次向燃料電池供應空氣或氧氣。只有到那時，燃料電池才可能要求全功率。換句話講，燃料電池的正常操作僅在滿足實現該目的所必需的所有條件時才是可能的。

根據現有技術，現通常提供某些等待時間，所述等待時間根據某些參數在開始空氣供應之后是必需的，直到可改變到正常操作為止，而不引起對過早和過量電力需求的進一步電壓中斷。

除此之外或另選地，在一般現有技術中監測其它操作參數(舉例來說，諸如陰極壓力或空氣質量流量)以影響等待時間。此外，這種可能性的缺點在于：所觀察的標準是部分昂貴的且無法可靠地觀察和測量；就燃料電池的可加壓性而言其僅構成部分因素；以及其然而不檢查負載能力本身。可能發生的情況是：對應準則雖然得到滿足，但燃料電池仍不可加壓。結果是在電氣系統需要電力時極不希望的電壓中斷。

文獻US 2012/0141895 A1處理所述問題以了解再次處于正常操作中的燃料電池在系統在已從停止模式重新啟動之后自何時開始可被完全加載。為這樣做，經由連接到燃料電池的轉換器(在此情形中為DC/DC轉換器)將燃料的電壓維持在預設電壓電平。與此同時，連續監測和觀察燃料電池系統的狀況以實現了解所監測的參數是否使其自身穩定的效果。所監測的參數可為例如電壓和所供應的空氣體積流率。如果所有所述值已相應地使其自身穩定，那么認為燃料電池可再次加壓且正常操作被釋放。

類似于上文描述的一般現有技術，所述方法具有以下缺點：其使用關于空氣質量流量的值，所述值在一方面只能困難地且不極度可靠地測量，并且所述值在另一方面雖然是指示燃料電池是可再次加壓的指示符，但不能肯定地反映此狀況。因此，還存在以下風險：盡管具有穩定值，但對于燃料電池的相應負載而言，電壓中斷仍會出現。

技術實現要素：

因此，本發明的目的是，提供一種用于從停止模式啟動具有燃料電池和轉換器的電氣系統的方法，所述方法避免了這些缺點并十分簡單且可靠地確保，一旦在正常條件下釋放重新啟動，燃料電池就安全且可靠地運作。

本發明的目的以展現權利要求1的特征的方法來滿足。在從屬權利要求中揭露另外的有利實施例和根據本發明的方法的進一步發展。

在根據本發明的方法中，如在現有技術中那樣，根據重新啟動信號執行中斷的反應物供應，并且規定燃料電池電壓，所述燃料電池電壓由換能器相應地調節。根據本發明規定，以如下方式規定燃料電池電壓：使供應有反應物的電空載燃料電池在每種情形中都將超過所述規定的燃料電池電壓。還規定，測量對于維持規定的燃料電池電壓所必需的換能器電流，此后自對于該效果所必需的規定電流起釋放正常操作。根據本發明的方法還使用燃料電池電壓的上限，以如下方式規定所述上限：所述電壓低于供應有反應物的可工作的燃料電池的空載電壓。特別是，能以如下方式預設規定的燃料電池電壓：就燃料電池的壽命而言，避免在其催化劑下的臨界腐蝕效應。經由換能器從燃料電池汲取電流以便在燃料電池的反應物供應開始時將由燃料電池傳送的電壓維持為低于所述規定閾值。一旦換能器處汲取和測量的電流達到預設值(其是將當前電壓維持在規定電壓上或維持為低于規定電壓所必需的)，燃料電池就應當再次為可加壓的。一旦已達到所述規定電流，就釋放燃料電池的正常操作，而無需擔心關于所述操作的缺點，尤其是由燃料電池在啟動之后的早期負載引起的電壓中斷。

在本發明的理念的非常有利的進一步發展中，此外規定，所規定的必需電流被預設為大約是通常在電壓上限處出現的平均電流的一半。一旦已達到燃料電池的此安培數(其大約對應于通常在正常操作中出現的平均電流的一半)，就發明者的知識所及，燃料電池的性能就不受限，使得所述燃料電池被相應地加載并且可在重新啟動燃料電池之后釋放正常操作。

如一般已知和按慣例地，燃料電池可設計為一堆單個電池。在根據本發明的方法的有利的進一步發展中，規定，對于燃料電池堆的每個單個電池，所規定的燃料電池電壓預設為800-900mV，優選地850mV。每個單個電池的、數量級為800-900mV的此電壓值是理想的，以在一方面確保燃料電池的操作安全且可靠并且在另一方面最小化由較高電壓引起的腐蝕效應，而可達到燃料電池的較長壽命。

根據本發明的方法的非常有利的另一實施例，因此可規定，與有源電池面相關的、從其開始釋放正常操作的規定電流被規定在0.02A/cm²與0.05A/cm²之間，優選地在0.03A/cm²與0.04A/cm²之間。根據本發明者的經驗和實驗，例如0.035A/cm²的此電流值已被證明為是理想的。因此，一旦將燃料電池的電壓維持在規定電壓上或維持為低于規定電壓，就可釋放電氣系統的正常操作。

在本發明的方法的有利實施例中，因此規定，在停止模式中中斷對燃料電池的氧氣供應，所述氧氣供應可通過向燃料電池供應空氣來實現。氧氣供應的此中斷，理想地在同時維持燃料電池的氫氣供應的情況下，對停止模式的需要是理想的，這是因為空氣供應裝置(其是相對耗能的且排放噪聲相對多的)被停止或可使其進入空閑模式，使得可在停止模式中節省能量并避免排放。如果例如流式壓縮機用作氣動饋送機，那么怠速轉速在停止模式期間是理想地有意義的，這是因為其確保了非常迅速的重新啟動。在此情形中可例如經由另外的閥吹出任何流后壓縮空氣，使得所述空氣不被引導到燃料電池中，使得在一方面不產生電力/電功率且在另一方面燃料電池在停止模式中不變干。

根據本發明的方法現在對于包括燃料電池和換能器的電氣系統來說是理想的，尤其對于具有一個換能器的燃料電池系統來說是理想的，所述燃料電池系統通常在停止模式中操作例如以在無電力需求或僅存在小電力需求的階段中減少能量消耗和排放。采用此啟停策略對于運載工具是特別有意義的，使得根據本發明的方法的優選使用闡明了：電氣系統用于為運載工具提供驅動力。

附圖說明

根據本發明的方法的其它有利實施例可從剩余從屬權利要求中得出且所述其它有利實施例在下文中依據示例性實施例并參考附圖進行更詳細描述。

其中

圖1示出了原理上指示為具有燃料電池系統的運載工具；以及

圖2示出了具有當從停止模式啟動這種燃料電池系統的正常操作時的信號曲線的圖。

具體實施方式

圖1示出了隱含地指示的運載工具1，其必須經由電動行駛馬達2驅動。在此處僅以舉例方式示出的圖示中，電動行駛馬達2驅動運載工具1的兩個驅動輪，所述兩個驅動輪以4標示且經由從動軸3連接。呈燃料電池系統5的形式的電氣系統5傳送用于如此驅動運載工具1的電力。所述燃料電池系統5以此處示出的實施例的一般正常和優選形式來指示只是舉例而已。燃料電池系統5的核心因此由燃料電池6組成，所述燃料電池6通常制成為一堆單個電池，即所謂的燃料電池堆或燃料電池堆疊。此燃料電池堆疊包含陽極側和陰極側，而共同陽極室7和共同陰極室8在圖1中僅以舉例方式示出。經由壓力調節和定量單元10從壓縮氣體貯存器9向陽極室7供應氫氣。未消耗的氫氣經由具有再循環供應裝置12的再循環管路11以本身已知的方式返回并與新鮮氫氣混合而被饋送到陽極室7。所述總成也稱為陽極電路。作為對示出為鼓風機的再循環供應裝置12的補充和替代，還可設想氣體噴射泵，所述噴射泵由來自壓縮空氣貯存器9的新鮮氫氣驅動。為能夠不時地排放陽極電路中的富集水和富集惰性氣體，再循環管路11此外包含具有排氣閥14的水分離器13。所述總成和其操作策略已從一般現有技術得知，因此沒有必要探究進一步細節。

經由作為氧氣供應器的氣動饋送機15向燃料電池6的陰極室8供應空氣。空氣因此經由任選的加濕器15流入陰極室8中，空氣在加濕器中被加濕。耗盡氧氣的濕廢氣離開陰極室8并經由任選的加濕器16流回，以便將包括在其中的濕氣至少部分排放到進氣口。其接著通過渦輪機17流入周圍大氣中。渦輪機17與電機18和氣動饋送機15一起形成所謂的電動渦輪增壓器，所述電動渦輪增壓器設計用于燃料電池6的最佳能效空氣供應。氣動饋送機15的出口和渦輪機17的入口可再次經由具有系統旁通閥20的系統旁路19連接在一起，使得系統旁通閥20可在某些情形中打開以便避免或限制空氣進入陰極室8中，即使氣動饋送機15仍在運行。這可為由超出限度時由氣動饋送機的非常高的旋轉速度引起的情形，所述氣動饋送機被設計為常規操作中的流式壓縮機。

燃料電池6的電力由換能器22經由此處建議的電力線路21接收。舉例來說，換能器22可被設計為DC/DC轉換器或設計為電池轉換器。所述轉換器與作為電能存儲裝置的任選的高壓電池23接觸。所述轉換器此外與其它的電力電子器件24(舉例來說，DC/AC轉換器)接觸，所述DC/AC轉換器被形成為至少為行駛馬達2提供驅動力。

運載工具1中的這樣的燃料電池系統5現通常以如下方式被驅動：所述燃料電池系統以所謂的啟停策略來使用。如果運載工具1不需要或幾乎不需要任何可毫無問題地經由電池23得到的驅動力，例如，當運載工具正在往上坡行駛和停在紅燈處時，那么將燃料電池系統5切換到所謂的停止模式以在這些停止階段中節省能量并減少噪聲排放。

通常，為這樣做，燃料電池6的空氣供應被中斷，而氫氣供應以降低的水平繼續。接著，燃料電池6中的殘余氧氣與仍存在的氫氣——根據停止階段的長度——至少部分地發生反應，使得燃料電池電壓U_BZ至少在某個時間t之后下降到零。這在圖2的頂部圖中在以A標示的右側區段中相應地示出，圖2示出了燃料電池6隨時間t變化的電壓U_BZ和電流I_BZ。電壓U_BZ因此在區段A中以實線示為處在“零”。替代的虛線示出了直到階段A結束為止的仍然持續下降幾乎下降到零的電壓，在所述虛線處停止階段未持續那么長。該圖在圖下方以電壓U和電流I示出停止模式的狀況。所述狀況在區域A中設為1，燃料電池系統5因此處在停止模式中。當從區域A切換到區域B時停止模式的所述需求從1變化到0，其在一天結束時對應于用于燃料電池系統5的重新啟動信號。

因此，恢復中斷的空氣供應并且漸增地向燃料電池6供應空氣。同時，燃料電池電壓U_BZ,1被規定，其略低于被供應的燃料電池6的空載電壓U_OCV。所述電壓(例如對于燃料電池6的每個單個電池是850mV的數量級)由換能器22相應地調節，這是由于換能器從燃料電池6汲取電流I_BZ(由“點劃線”表示)。為將燃料電池電壓U_BZ維持在規定電壓值U_BZ,1上或維持為低于規定電壓值U_BZ,1，所述電流必須隨著對燃料電池6的氧氣和氫氣供應增加而相應地上升。如果燃料電池電流I_BZ增加到高于規定值I_BZ,1，那么系統從燃料電池6的重新啟動操作B切換到正常操作C中，在該正常操作中電流I_BZ和電壓U_BZ由運載工具1根據電力需求進行調整。

通常，作為正常操作期間的平均電流I_BZ的、大約10A的燃料電池電流I_BZ可在燃料電池6由大約350-500個單個電池組成的情況下出現。規定電流值I_BZ,1(從該規定電流值開始再次釋放正常操作C)設置為大約為所述值的一半，即，約5A，其對應于約0.035A/cm²的電流密度。

一旦對于將燃料電池電壓U_BZ維持為低于規定電壓U_BZ,1所必需的燃料電池電流I_BZ超過所述規定電流值I_BZ,1，燃料電池系統5的完整性能就可再次得到，使得可釋放正常操作C。能夠預期，當燃料電池6經受較高應力時不再有電壓中斷，使得可經由簡單的電流測量而使正常操作的安全且可靠的釋放變得可行。