用于調(diào)節(jié)燃料電池的空氣濕度的裝置和方法

專(zhuān)利名稱(chēng)：用于調(diào)節(jié)燃料電池的空氣濕度的裝置和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及ー種用于調(diào)節(jié)燃料電池的空氣濕度的裝置；ー種燃料電池系統(tǒng)；ー種用于調(diào)節(jié)燃料電池的空氣濕度的方法；這類(lèi)燃料電池系統(tǒng)在飛機(jī)中的使用以及ー種具有至少ー個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)、至少ー個(gè)耗電器和至少ー個(gè)燃料電池系統(tǒng)的飛機(jī)。
背景技術(shù)：
為了從化學(xué)載能體中獲得電能，目前越來(lái)越多地使用具有電極的燃料電池，所述電極通過(guò)薄膜或電解質(zhì)彼此分開(kāi)。低溫質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)能夠具有氣密的、傳導(dǎo)質(zhì)子的離子膜，所述離子膜例如由磺化的四氟こ烯聚合物(PTFE)制成。這類(lèi)薄膜也以名稱(chēng)“ Nafion -薄膜”已知。對(duì)于非常敏感的薄膜，保持足夠的含水量并且從而保持反應(yīng)氣體的恒定的濕度是必要的，以至于能夠確保在燃料電池的整個(gè)工作期間薄膜的完整。在現(xiàn)有技術(shù)中，在燃料電池系統(tǒng)或燃料電池垛中的空氣濕度通常情況下根據(jù)經(jīng)驗(yàn)值借助于加濕控制單元來(lái)控制，所述加濕控制單元依據(jù)燃料電池的工作參數(shù)，例如所抽取的電流，根據(jù)“正向輸送”原理來(lái)設(shè)置燃料電池的進(jìn)氣，并且如有可能也進(jìn)行燃料電池的除濕。因?yàn)樵诔Ｒ?guī)的加濕控制系統(tǒng)中，沒(méi)有在參數(shù)的設(shè)置中考慮關(guān)于當(dāng)前濕度的信息，為了維持足夠的濕度必要的是，為了保護(hù)敏感的薄膜，不能低于最小濕度。這導(dǎo)致傳統(tǒng)的加濕控制系統(tǒng)趨向于引起高的濕氣，所述濕氣能夠?qū)е氯剂想姵氐男实南陆怠＝柚谕獠康臒崃W(xué)的過(guò)程變量、電壓和電流來(lái)測(cè)量薄膜的就地(在工作期間)電容或濕度是不可能的。

發(fā)明內(nèi)容
相應(yīng)地，本發(fā)明的目的在于提供ー種用于調(diào)節(jié)燃料電池的空氣濕度的裝置，所述裝置允許在較長(zhǎng)的工作時(shí)間內(nèi)空氣濕度的特別準(zhǔn)確的調(diào)節(jié)，使得在工作時(shí)，燃料電池不會(huì)趨向于變得太潮濕或太干燥，并且不會(huì)中斷通過(guò)燃料電池的電能供應(yīng)。所述目的通過(guò)ー種具有獨(dú)立權(quán)利要求I所述的特征的用于調(diào)節(jié)在燃料電池中的空氣濕度的裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)。在從屬權(quán)利要求中獲得有利的改進(jìn)方案。在本發(fā)明的說(shuō)明中以燃料電池具有加濕控制單元為前提條件，所述加濕控制單元設(shè)置成用于設(shè)置在燃料電池中的空氣濕度。此外假定，所述加濕控制單元能夠從外部控制，即通過(guò)相應(yīng)的信號(hào)能夠?qū)嵤╊A(yù)先給定的空氣濕度。在現(xiàn)有技術(shù)中存在大量完全不同的加濕控制單元，所述加濕控制單元例如能夠?qū)鲗?dǎo)到燃料電池的進(jìn)氣加濕，并且有時(shí)也能夠?qū)嵤┴?fù)極室等的去濕。本發(fā)明的主題不涉及加濕控制單元的具體技術(shù)實(shí)施，而是相反涉及測(cè)定用于特別精確地設(shè)置濕度所需的參數(shù)，并且借助于這些參數(shù)來(lái)驅(qū)動(dòng)加濕控制單元，使得在燃料電池中存在盡可能精確的濕度。根據(jù)本發(fā)明的第一方面，用于調(diào)節(jié)在燃料電池中的空氣濕度的裝置具有至少ー個(gè)處理器単元和至少ー個(gè)檢測(cè)單元，其中處理器単元具有第一信號(hào)輸入端和第一信號(hào)輸出端，其中所述第一信號(hào)輸入端設(shè)置成用干與檢測(cè)單元中的信號(hào)連接，所述第一信號(hào)輸出端設(shè)置成用干與燃料電池的加濕控制單元的控制輸入端連接。檢測(cè)單元具有至少ー個(gè)第一電壓輸入端，所述第一電壓輸入端設(shè)置成用干與燃料電池連接和用于檢測(cè)燃料電池的輸出電壓，其中，處理器單元附加地設(shè)置成用于從在燃料電池上的電壓分布中測(cè)定燃料電池的時(shí)間常數(shù)，并且依據(jù)所測(cè)定的時(shí)間常數(shù)來(lái)驅(qū)動(dòng)加濕控制單元。在最簡(jiǎn)單的情況下，檢測(cè)單元能夠構(gòu)成為A/D轉(zhuǎn)換器，所述檢測(cè)単元能夠在其第一電壓輸入端上檢測(cè)模擬電壓，并且能夠在處理器單元的第一數(shù)據(jù)輸出端上提供轉(zhuǎn)換為數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的電壓值。依據(jù)所期望的時(shí)間常數(shù)，A/D轉(zhuǎn)換器的相應(yīng)的精確度是必要的，所述精 確度例如通過(guò)采樣頻率(采樣率)和分辨率確定。為了詳細(xì)闡述對(duì)于本發(fā)明重要的方面，首先要指出的是，燃料電池原則上能夠借助于等效電路圖表示，即通過(guò)將由薄膜的材料和物理邊界條件確定的薄膜電阻、電荷傳遞電阻和雙層電容相互連接。在此，電荷傳遞電阻和雙層電容并聯(lián)地接通，而薄膜電阻與所述并聯(lián)電路串聯(lián)連接。等效電路圖的總電阻能夠稱(chēng)為極化電阻。使兩個(gè)氣體腔彼此分開(kāi)的薄膜將對(duì)于總反應(yīng)所必需的質(zhì)子從氫氣側(cè)傳導(dǎo)到空氣側(cè)上。除了傳輸水的可能性，薄膜也能夠吸收水，其中薄膜的含水量通常力求與周?chē)鷿穸冗_(dá)成平衡。普遍地，質(zhì)子電導(dǎo)率隨著薄膜的含水量的増加而增加。在本發(fā)明的說(shuō)明書(shū)中稱(chēng)為“薄膜電阻”的歐姆電阻最終能夠由薄膜的質(zhì)子電導(dǎo)率和需要時(shí)設(shè)置在電極上的擴(kuò)散層的電子電導(dǎo)率以及氣體通道結(jié)構(gòu)的電子電導(dǎo)率確定，其中所述擴(kuò)散層用于使反應(yīng)氣體更好地分布，并且同時(shí)用于導(dǎo)出抽取的電流，而氣體通道結(jié)構(gòu)能夠集成在導(dǎo)電的端板中，以用于為燃料電池供應(yīng)反應(yīng)氣體。與薄膜的質(zhì)子電導(dǎo)率不同，電子電導(dǎo)率通常能夠視為是恒定的。薄膜電阻隨著下降的濕度而成指數(shù)增長(zhǎng)。在燃料電池中的反應(yīng)發(fā)生在兩個(gè)電極(正極和負(fù)極)中。在相界上，兩個(gè)電位相對(duì)置，由此形成具有基本上依據(jù)燃料電池的幾何結(jié)構(gòu)的雙層電容的電化學(xué)雙層。所述電化學(xué)雙層同樣與燃料電池的濕度有關(guān)。因此，極化電阻普遍與燃料電池的濕度有關(guān)，并且具有用于每種燃料電池類(lèi)型的特性曲線。燃料電池和表示所述燃料電池的等效電路圖具有通過(guò)上述部件表示特征的非線性的時(shí)間特性，由于所述時(shí)間特性，施加在燃料電池上的輸出電壓例如不定期地對(duì)于通過(guò)耗電器造成的抽取電流的階躍變化做出反應(yīng)，但是，在抽取電流保持不變的情況下，所述輸出電壓是恒定的。特別重要的是，與能量的存儲(chǔ)相關(guān)聯(lián)的電容特性，并且由此呈現(xiàn)出與PTi部分相符的時(shí)間延遲的特性。因此，燃料電池的動(dòng)態(tài)特性能夠通過(guò)與濕度相關(guān)的時(shí)間常數(shù)限定?，F(xiàn)在，根據(jù)本發(fā)明的裝置的目的是利用所述動(dòng)態(tài)特性，以便能夠最優(yōu)地設(shè)置濕度調(diào)節(jié)。根據(jù)本發(fā)明地，檢測(cè)單元與燃料電池連接，以用于檢測(cè)在那里施加的輸出電壓，所述輸出電壓在穩(wěn)定情況下理想地保持不變。為了識(shí)別目前存在于相關(guān)的燃料電池中的時(shí)間常數(shù)，需要研究燃料電池的動(dòng)態(tài)特性。因?yàn)?，在穩(wěn)態(tài)工作時(shí)，不期待這樣的波動(dòng)的抽取電流，所述抽取電流能夠有規(guī)律地明確確定動(dòng)態(tài)特性，所以根據(jù)本發(fā)明，實(shí)施在燃料電池和耗電器之間的短暫中斷，并且以階躍響應(yīng)的形式檢測(cè)和評(píng)估在燃料電池上減少的輸出電壓。所述表示特征的、至少部分地以指數(shù)函數(shù)的形式出現(xiàn)的下降的分布從檢測(cè)単元傳導(dǎo)到處理器単元上，所述處理器単元從所述分布中確定時(shí)間常數(shù)。用于分析用于確定動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的參數(shù)的階躍響應(yīng)的數(shù)學(xué)方法在現(xiàn)有技術(shù)中是充分已知的。所述方法的目的是將通過(guò)測(cè)量確定的當(dāng)前時(shí)間常數(shù)或燃料電池的與時(shí)間常數(shù)相 似的無(wú)量綱的量τ和開(kāi)始的時(shí)間常數(shù)或相同的燃料電池的無(wú)量綱的且與時(shí)間常數(shù)相似的量相比較，并且所述無(wú)量綱的量例如能夠直接在制成燃料電池之后在理想的濕度條件下測(cè)定。通過(guò)所述比較，能夠識(shí)別在時(shí)間常數(shù)方面的偏差，所述偏差能夠允許關(guān)于目前的加濕狀態(tài)的結(jié)論。變短的固有時(shí)間例如能夠表示過(guò)量的加濕。調(diào)節(jié)策略能夠如下設(shè)置，首先在考慮時(shí)間常數(shù)的情況下，逐漸增強(qiáng)燃料電池的加濕，直至?xí)r間常數(shù)變差，即減小。隨后，能夠?qū)⒓訚裨僦鸩降販p少，直至不再可能改進(jìn)時(shí)間常數(shù)。再隨后，再次增強(qiáng)加濕，直至?xí)r間常數(shù)再次下降。因此，加濕圍繞其最優(yōu)值擺動(dòng)。 在由多個(gè)燃料電池組裝成的燃料電池堆的情況下，在考慮燃料電池中的ー個(gè)的“最差的”的單個(gè)時(shí)間常數(shù)的情況下，根據(jù)所述策略調(diào)節(jié)整個(gè)堆。因此實(shí)現(xiàn)了，在整體考慮時(shí)，燃料電池堆內(nèi)的加濕位于最優(yōu)的加濕界限上。依照根據(jù)本發(fā)明的裝置的ー個(gè)有利的改進(jìn)方案，處理器單元設(shè)置成用于除了時(shí)間常數(shù)或與時(shí)間常數(shù)相似的無(wú)量綱的值τ，測(cè)定至少燃料電池的薄膜電阻和/或電容。這能夠通過(guò)在突然斷開(kāi)耗電器的情況下將燃料電池的電壓的階躍響應(yīng)基本上劃分成兩部分而實(shí)現(xiàn)。第一快速的電壓形成的特征在于特別是歸因于薄膜電阻的歐姆損耗，其中在所述第一快速的電壓形成中，不期待雙層充電、動(dòng)カ過(guò)程或質(zhì)傳過(guò)程。所述薄膜電阻能夠由第一快速的電壓形成和電流差的商算出。依據(jù)燃料電池的結(jié)構(gòu)類(lèi)型和尺寸能夠或多或少明顯地得出輸出電壓的階躍變化，以至于只有當(dāng)電壓分布清楚地顯示出來(lái)時(shí)，才能夠相對(duì)精確地確定薄膜電阻。電壓的階躍響應(yīng)的其他分布通過(guò)燃料電池的雙層電容的動(dòng)態(tài)特性主導(dǎo)，并且在整體考慮時(shí)，相應(yīng)于ー階的延遲部分，所述ー階的延遲部分能夠用指數(shù)函數(shù)確定。依照根據(jù)本發(fā)明的裝置的ー個(gè)有利的改進(jìn)方案，處理器単元具有第二信號(hào)輸出端，所述第二信號(hào)輸出端與斷續(xù)器單元連接。斷續(xù)器單元設(shè)置成用于將燃料電池的電壓輸出在預(yù)先確定的時(shí)間段T內(nèi)中斷。這引起在燃料電池的正常工作期間能夠檢測(cè)用于測(cè)定時(shí)間常數(shù)所需要的電壓分布，其中斷續(xù)器單元的驅(qū)動(dòng)優(yōu)選能夠自動(dòng)地并且以預(yù)先給定的時(shí)間間隔實(shí)施。因此，確保了燃料電池狀態(tài)的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)。在根據(jù)本發(fā)明的裝置的ー個(gè)有利的改進(jìn)方案中，使用多個(gè)檢測(cè)単元，所述檢測(cè)單元能夠與具有ー個(gè)或多個(gè)燃料電池堆(主要也作為“燃料電池垛”已知)的形式的一組多個(gè)燃料電池連接，并且處理器單元設(shè)置成用于通過(guò)斷續(xù)器單元在時(shí)間段T內(nèi)中斷在單個(gè)或成組的所有燃料電池和耗電器之間的連接。相應(yīng)地，處理器単元優(yōu)選設(shè)置成用于在中斷時(shí)間段T期間，檢測(cè)所有燃料電池的所有電壓分布。不言而喻，處理器単元在此也設(shè)置用于根據(jù)上述方法由已測(cè)定的電壓分布來(lái)確定相應(yīng)的時(shí)間常數(shù)。在根據(jù)本發(fā)明的裝置的ー個(gè)有利的改進(jìn)方案中，檢測(cè)單元能夠與多個(gè)相互連接成組的燃料電池連接，并且檢測(cè)燃料電池組的電壓分布。這特別是在具有大量單個(gè)燃料電池的燃料電池堆的情況下降低了根據(jù)本發(fā)明的裝置的復(fù)雜度。在根據(jù)本發(fā)明的裝置的ー個(gè)有利的改進(jìn)方案中，處理器單元設(shè)置用于將燃料電池的已測(cè)定的時(shí)間常數(shù)與燃料電池的預(yù)先給定的時(shí)間常數(shù)相比較，并且在與預(yù)先給定的時(shí)間常數(shù)的偏差大于預(yù)先給定的公差的情況下，驅(qū)動(dòng)加濕控制單元，以用于改變加濕。因此能夠確?？偸谴嬖谌剂想姵氐念A(yù)先給定的時(shí)間常數(shù)，并且燃料電池也能夠在更長(zhǎng)的時(shí)間段內(nèi)提供保持不變的功率。在根據(jù)本發(fā)明的裝置的ー個(gè)有利的改進(jìn)方案中，處理器單元設(shè)置成用于通過(guò)上述特性來(lái)確定在燃料電池的薄膜上的薄膜電阻，并且在超過(guò)預(yù)先給定的薄膜電阻的情況下，増加加濕。因此，能夠防止燃料電池堆的各個(gè)燃料電池的薄膜具有嚴(yán)重的缺陷，所述缺陷也不能再通過(guò)額外的加濕來(lái)消除。 因?yàn)槿剂想姵夭荒軌蚍浅＞_地制成，使得所有薄膜總是具有相同的濕度，所以這是延長(zhǎng)燃料電池的總體的最大功率的特別優(yōu)選的可能性。根據(jù)本發(fā)明的裝置的ー個(gè)有利的改進(jìn)方案具有緩沖存儲(chǔ)器，所述緩沖存儲(chǔ)器設(shè)置成用于在燃料電池和耗電器之間的連接中斷的情況下，為所述耗電器在時(shí)間段T內(nèi)供應(yīng)電壓。根據(jù)時(shí)間段T的大小和靜態(tài)的抽取電流的水平，緩沖存儲(chǔ)器能夠是不同類(lèi)型的。如果由于特別大的燃料電池而需要用于中斷的較長(zhǎng)的時(shí)間段T，并且從而需要較大的時(shí)間常數(shù)，那么緩沖存儲(chǔ)器能夠構(gòu)成為蓄電池等，而在時(shí)間段T非常短的情況下，具有足夠高的電容的電容器也是足夠的。依照根據(jù)本發(fā)明的裝置的ー個(gè)有利改進(jìn)方案，中斷時(shí)間段T在50ms和150ms之間。燃料電池的壓降的時(shí)間常數(shù)根據(jù)雙層電容的大小通常是非常小的，并且明確地位于短于一秒的范圍內(nèi)，其中所述燃料電池必須通過(guò)檢測(cè)單元覆蓋。在例如用于在燃料電池堆中使用的、現(xiàn)在可獲得的大量燃料電池的情況下，所述持續(xù)時(shí)間的中斷能夠足夠用于測(cè)定特征電壓分布，并且從而測(cè)定電容和其他參數(shù)。依照根據(jù)本發(fā)明的裝置的一個(gè)同樣優(yōu)選的改進(jìn)方案，中斷時(shí)間段T在150ms和500ms之間。這樣擴(kuò)展的時(shí)間段T能夠提供用于檢測(cè)較大的燃料電池的電壓分布，其中，反之也能夠降低在檢測(cè)單元上的精確度要求。根據(jù)ー個(gè)有利的改進(jìn)方案，使用低歐姆的電分流電阻(也作為“分流器(shunt)”已知)，以便能夠測(cè)定由燃料電池供應(yīng)的電流或由耗電器抽取的抽取電流。此外，根據(jù)本發(fā)明的裝置能夠設(shè)置成用于測(cè)定用于不同的抽取電流的額定時(shí)間常數(shù)和實(shí)際時(shí)間常數(shù)，并且在考慮電流的情況下相互比較。此外，所述目的也通過(guò)ー種用于調(diào)節(jié)燃料電池的空氣濕度的方法得以實(shí)現(xiàn)，所述方法基本上具有如下特征，中斷在燃料電池和耗電器之間的連接、檢測(cè)燃料電池在時(shí)間段T內(nèi)的輸出電壓、測(cè)定燃料電池的時(shí)間常數(shù)、將時(shí)間常數(shù)與預(yù)先給定的時(shí)間常數(shù)相比較和改變?nèi)剂想姵氐募訚?。附加地，也能夠測(cè)定燃料電池的和/或薄膜電阻的雙層電容。此外，所述目的也能夠通過(guò)一種計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品得以實(shí)現(xiàn)，當(dāng)根據(jù)本發(fā)明的方法由處理器単元實(shí)施時(shí)，所述計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品能夠促使處理器單元實(shí)施所述方法。
此外，所述目的通過(guò)ー種燃料電池系統(tǒng)得以實(shí)現(xiàn)，所述燃料電池系統(tǒng)由多個(gè)燃料電池構(gòu)成的堆組成，在所述燃料電池上設(shè)置有至少ー個(gè)檢測(cè)單元，所述檢測(cè)単元與處理器單元連接。此外，根據(jù)本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)具有斷續(xù)器單元，所述斷續(xù)器単元能夠由處理器単元驅(qū)動(dòng)，使得耗電器的通過(guò)根據(jù)本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)的電壓供給中斷一段時(shí)間段T?？蛇x地，根據(jù)本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)還具有緩沖存儲(chǔ)器，所述緩沖存儲(chǔ)器確保在中斷時(shí)間段T內(nèi)的耗電器的供電。最后，所述目的還通過(guò)燃料電池系統(tǒng)在飛機(jī)中的使用以及通過(guò)ー種具有至少ー個(gè)耗電器和至少ー個(gè)根據(jù)本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)的飛機(jī)得以實(shí)現(xiàn)。


從實(shí)施例和附圖的下述說(shuō)明中得出本發(fā)明的其他特征、優(yōu)點(diǎn)和應(yīng)用可能性。在此，也與在各個(gè)權(quán)利要求和其引用的權(quán)利要求中的組合無(wú)關(guān)地，所有已說(shuō)明的和/或圖示的特征本身和其任意的組合形成本發(fā)明的主題。此外，在附圖中，相同的附圖標(biāo)記代表相同的或者類(lèi)似的對(duì)象。 圖Ia至Ic示出燃料電池的等效電路圖、薄膜的比電導(dǎo)以及極化曲線。圖2示出根據(jù)本發(fā)明的裝置的示意圖。圖3示出階躍響應(yīng)的示例的示圖。圖4示出根據(jù)本發(fā)明的方法的方塊圖。圖5示出飛機(jī)，所述飛機(jī)至少裝配有根據(jù)本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)。
具體實(shí)施例方式圖Ia示出燃料電池的可能的、簡(jiǎn)化的等效電路圖，所述等效電路圖由歐姆的薄膜電阻2、歐姆的電荷傳遞電阻4和雙層電容6組成，其中電荷傳遞電阻4和雙層電容6并聯(lián)連接，并且與薄膜電阻2串聯(lián)連接。由等效電路圖能夠直觀地看出抽取電流和輸出電壓之間的動(dòng)態(tài)相互關(guān)系。圖Ib以電導(dǎo)率曲線8的形式示出在PEM燃料電池的薄膜的電導(dǎo)率和所吸收的水量(薄膜的濕度)之間的相互關(guān)系，其中，濕度作為水蒸汽分壓力Pw和飽和分壓カPsat的商給出。可見(jiàn)的是，隨著濕度升高，幾乎漸近地逼近最大值，其中，可見(jiàn)在低于30%的低的濕度的情況下，電導(dǎo)率急劇降低。在圖I c中示出所謂的極化曲線IO，其描述出輸出電壓和以A/cm2為單位的電流密度之間的相互關(guān)系。用于供給燃料電池的氫的高的相対濕度的極化曲線導(dǎo)致燃料電池的最大效率。圖2示出根據(jù)本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)12，所述燃料電池系統(tǒng)由示意性示出的燃料電池堆14組成，所述燃料電池堆具有多個(gè)燃料電池和加濕控制單元18、處理器単元20、多個(gè)設(shè)置在各個(gè)燃料電池16上的檢測(cè)單元22、斷續(xù)器單元24和緩沖存儲(chǔ)器26。耗電器28通過(guò)斷續(xù)器単元24與燃料電池堆14連接，并且能夠在斷續(xù)器單元24激活時(shí)與緩沖存儲(chǔ)器26耦聯(lián)，所述緩沖存儲(chǔ)器同樣與斷續(xù)器單元24連接。在此要指出的是，用于調(diào)節(jié)在燃料電池中的濕度的根據(jù)本發(fā)明的裝置包括圖2中的根據(jù)本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)12的所有部件，除了燃料電池垛14和耗電器28以外。
燃料電池堆14的燃料電池16優(yōu)選實(shí)現(xiàn)為低溫質(zhì)子交換膜燃料電池，并且通過(guò)加濕控制單元18加濕，使得燃料電池16的薄膜不變干并且具有最大的質(zhì)子電導(dǎo)率。因此，燃料電池16能夠提供盡可能大的功率，不會(huì)面臨敏感的薄膜的變干和損壞的危險(xiǎn)。在本文中，加濕控制單元的類(lèi)型是不重要的。在現(xiàn)有技術(shù)中，存在一系列加濕控制單元，其例如實(shí)現(xiàn)具有水蒸汽的反應(yīng)氣體的最大程度的飽和，并且有時(shí)也將反應(yīng)水從負(fù)極腔等中主動(dòng)移除。根據(jù)本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)12幾乎能夠借助每個(gè)任意種類(lèi)的加濕控制單元18驅(qū)動(dòng)，所述加濕控制單元能夠以任意方式從外部?jī)?yōu)選通過(guò)相應(yīng)的信號(hào)輸入端或通過(guò)機(jī)械調(diào)節(jié)影響其作用，所述機(jī)械調(diào)節(jié)能夠借助于信號(hào)通過(guò)促動(dòng)器觸發(fā)。根據(jù)本發(fā)明，在燃料電池系統(tǒng)12工作時(shí)，通過(guò)處理器単元20以預(yù)先給定的時(shí)間間隔手動(dòng)地或自動(dòng)地促使斷續(xù)器單元24將耗電器28通過(guò)預(yù)先給定的時(shí)間段T與燃料電池16物理地分開(kāi)，以至于燃料電池16在其電壓輸出端30上分別提供下降的電壓，所述下降的電壓為對(duì)階躍變化的抽取電流的階躍響應(yīng)。通過(guò)優(yōu)選構(gòu)成為A/D轉(zhuǎn)換器的檢測(cè)單元22能夠檢測(cè)各個(gè)燃料電池16的分別提供的電壓的分布，并且將所述分布傳導(dǎo)到處理器単元20的第一信號(hào)輸入端32上，其中所述檢測(cè)単元能夠放置在電壓輸出端30附近。處理器単元20優(yōu)選實(shí)施ー種算法，所述算法適用于確定圖I中的等效電路圖的動(dòng)態(tài)的和靜態(tài)的參數(shù)，如在圖3中借助于相應(yīng)的曲線圖闡述的。對(duì)于調(diào)節(jié)起決定性作用的是確定燃料電池的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的時(shí)間常數(shù)，或由此導(dǎo)出的參數(shù)。那么所述參數(shù)能夠與從例如在理想條件下驅(qū)動(dòng)的燃料電池中檢測(cè)的參數(shù)相比較。普遍來(lái)說(shuō)足夠的是，測(cè)定無(wú)量綱的量τ，所述量代表延遲或時(shí)間常數(shù)，以便將所述τ與“新鮮的”燃料電池的τ的預(yù)先給定的值相比較，直接在制造所述燃料電池后在理想條件下測(cè)定所述預(yù)先給定的值。此外，還能夠有利的是，依據(jù)抽取電流測(cè)定ー組不同的τ，那么根據(jù)目前的抽取電流將所述不同的τ與目前測(cè)定的τ相比較。在考慮時(shí)間常數(shù)或由此導(dǎo)出的參數(shù)時(shí)，燃料電池的加濕例如能夠逐漸增強(qiáng)，直至?xí)r間常數(shù)減小。然后，能夠出現(xiàn)加濕的逐步減少，直至不可能再改進(jìn)時(shí)間常數(shù)。再接下來(lái)，加濕能夠再次增強(qiáng)，直至?xí)r間常數(shù)下降，以至于實(shí)現(xiàn)在加濕的最優(yōu)值周?chē)母?dòng)。與此不同地或附加地，也能夠測(cè)定用于薄膜電阻和/或雙層電容和/或電荷傳遞電阻的值。對(duì)通過(guò)階躍響應(yīng)的階躍分布的第一部分測(cè)定的薄膜電阻能夠進(jìn)行如下分析薄膜是否太干，和是否既具有過(guò)低的離子電導(dǎo)率，又能夠由于干燥而撕破。通過(guò)分析階躍響應(yīng)的其他分布能夠測(cè)定用于雙層電容的值，從所述值中能夠推導(dǎo)出用于目前的加濕的結(jié)論。通過(guò)將已測(cè)定的電容與預(yù)先給定的電容相比較能夠確定，燃料電池16中的一個(gè)或多個(gè)是否具有超出允許的公差的電容，這例如能夠推論出過(guò)強(qiáng)的主動(dòng)加濕。如果是這種情況，那么處理器単元20提供信號(hào)，所述信號(hào)通過(guò)第一信號(hào)輸出端34發(fā)送給加濕控制單元18，以便能夠促使所述加濕控制單元將加濕減少確定的量。因?yàn)槿剂想姵囟?4由一系列燃料電池16組成，所以有利的是，所有燃料電池16分別裝配有檢測(cè)單元22，以至于處理器単元20也必須能夠處理所有檢測(cè)單元22的所有數(shù)據(jù)。優(yōu)選地，對(duì)所有燃料電池16的階躍響應(yīng)進(jìn)行単獨(dú)地分析，以便得到所有燃料電池16的所有靜態(tài)參數(shù)和動(dòng)態(tài)參數(shù)。
因?yàn)榧訚窨刂茊卧?8常常僅能夠?qū)⒃谌剂想姵囟阎械乃腥剂想姵?6作為整體提供加濕，所以通常情況下不能將各個(gè)燃料電池16単獨(dú)地加濕。由于這個(gè)原因必要的是，對(duì)燃料電池堆14作為整體的加濕進(jìn)行優(yōu)化，并且不對(duì)燃料電池16的加濕進(jìn)行優(yōu)化。在此優(yōu)選要注意的是，加濕調(diào)節(jié)對(duì)于所有燃料電池16都不會(huì)過(guò)低，并且因此不造成由于干燥而導(dǎo)致的薄膜缺陷。同時(shí)，加濕也不能過(guò)強(qiáng)，以至于燃料電池16的功率由于超出其加濕最優(yōu)值而再次明顯地下降。相應(yīng)地，加濕應(yīng)盡可能地基于“最差的”燃料電池16，所述“最差的”燃料電池例如具有與預(yù)先給定的額定值最大的偏差，或顯現(xiàn)出過(guò)干。優(yōu)選的是，處理器単元20設(shè)置成用于將燃料電池16的根據(jù)實(shí)驗(yàn)確定的理想的靜態(tài)參數(shù)和動(dòng)態(tài)參數(shù)存儲(chǔ)在存儲(chǔ)單元中，并且在需要時(shí)調(diào)用，以便能夠?qū)⑷剂想姵?6的已測(cè)定的靜態(tài)參數(shù)和動(dòng)態(tài)參數(shù)與理想的參數(shù)相比較。如果燃料電池的數(shù)量應(yīng)相對(duì)高，以至于不是完全優(yōu)化地工作的燃料電池16不是特別引人注目，那么也能夠有利的是，從已測(cè)定的靜態(tài)參數(shù)和動(dòng)態(tài)參數(shù)來(lái)計(jì)算燃料電池堆14的可能的功率，并且設(shè)置加濕，使得可能的功率最大化。在預(yù)先給定的時(shí)間段T之后，耗電器18再次與燃料電池堆4連接。在常規(guī)工作的 另ー階段后，能夠在時(shí)間段T內(nèi)實(shí)施下次中斷，在所述時(shí)間段后存在關(guān)于各個(gè)燃料電池6的電容改變的認(rèn)知。一旦所有燃料電池6具有在公差界限內(nèi)的電容，那么加濕被視為足夠的。圖3示出不連續(xù)的抽取電流分布36的示意圖，所述抽取電流分布具有緊隨其后的具有燃料電池的輸出電壓38的分布的形式的階躍響應(yīng)。抽取電流直至?xí)r間b位于最高水平上，也就是說(shuō)，耗電器由燃料電池16正常地供電。隨后，在時(shí)間段T內(nèi)，也就是說(shuō)到時(shí)間、，發(fā)生電流的中斷，所述電流由其最大值降回到O。電流的階躍下降造成電壓的階躍響應(yīng)，其首先——能夠根據(jù)燃料電池的結(jié)構(gòu)類(lèi)型和結(jié)構(gòu)尺寸或多或少地測(cè)量——幾乎直接上升值A(chǔ)Up隨后，電壓更明顯地延遲地增長(zhǎng)值ΛU2，這通過(guò)將耗電器重新接通并且電流上升到時(shí)中斷。如果值A(chǔ)U1能夠從所檢測(cè)的階躍響應(yīng)中明確地獲得，那么能夠從中算出薄膜電阻A1. =-~
~ max如果由于結(jié)構(gòu)類(lèi)型和結(jié)構(gòu)尺寸存在不顯著的或幾乎不能測(cè)量的階躍電壓分布AU1，那么燃料電池16的階躍響應(yīng)的分析局限于從延遲的電壓改變中僅測(cè)定時(shí)間常數(shù)。對(duì)于AU2在時(shí)間上的電壓增長(zhǎng)，基本上遵循下述關(guān)系
( _ t ΛAU2=Rct l-e /匪，
Vノ其中，Rrt是電荷傳遞電阻，并且Cdt是雙層電容。所述方程式例如能夠通過(guò)迭代法或分析法求解，并且提供關(guān)于電荷傳遞電阻和雙層電容的信息。所述方程式也能夠如下簡(jiǎn)化，以并聯(lián)的方式連接的電荷傳遞電阻和雙層電容作為整體測(cè)定，并且與之前根據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)定的值相比較。圖4示出根據(jù)本發(fā)明的方法的方塊圖。在燃料電池16或具有多個(gè)燃料電池16的燃料電池堆14工作期間，與耗電器28的連接在時(shí)間段T內(nèi)短暫地中斷38，并且借助于檢測(cè)單元22檢測(cè)40在相關(guān)的燃料電池16上的輸出電壓。將所檢測(cè)的電壓分布傳輸42給處理器単元20，所述處理器単元借助于程序評(píng)估44電壓分布，以便測(cè)定46燃料電池的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的時(shí)間常數(shù)。將時(shí)間常數(shù)與預(yù)先給定的時(shí)間常數(shù)相比較48，其中，在與預(yù)先給定的時(shí)間常數(shù)的偏差超出可允許的界限時(shí)，通過(guò)燃料電池16中的至少ー個(gè)，由處理器単元20促使50加濕控制單元18改變52燃料電池16的加濕。附加地，加濕能夠不斷地提高54，直至?xí)r間常數(shù)減小。隨后，加濕還能夠逐漸地再次減少56，直至?xí)r間常數(shù)不能夠進(jìn)ー步提高。再接下來(lái)，重復(fù)上述步驟，以至于加濕總是在最優(yōu)值周?chē)?dòng)。代替考慮時(shí)間常數(shù)，也能夠測(cè)定58燃料電池16中的每個(gè)的等效電路圖的電容。將所述電容與預(yù)先給定的電容相比較60，并且能夠?qū)嵤┥鲜龇椒ú襟E。通過(guò)根據(jù)本發(fā)明的方法能夠調(diào)節(jié)燃料電池6的加濕或具有多個(gè)燃料電池的燃料電池堆14的加濕，使得燃料電池16不會(huì)過(guò)濕或過(guò)干并且由此導(dǎo)致輸出功率下降。最后，圖5不出飛機(jī)62,其具有發(fā)動(dòng)機(jī)64和多個(gè)耗 電器66,以及根據(jù)圖2的根據(jù)本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)12。要補(bǔ)充指出的是，“具有”不排除其他元件或步驟，并且“ー個(gè)”不排除多個(gè)。此外要指出的是，參考上述實(shí)施例之一說(shuō)明的特征也能夠與其他上述實(shí)施例的其他特征相結(jié)合地應(yīng)用。在權(quán)利要求中的附圖標(biāo)記不被視為限制。附圖標(biāo)記列表2 薄膜電阻4 電荷傳遞電阻6 雙層電容8 電導(dǎo)率10 極化12 燃料電池系統(tǒng)14 燃料電池堆16 燃料電池18 加濕控制單元20 處理器單元22 檢測(cè)單元24 斷續(xù)器單元26 緩沖存儲(chǔ)器28 耗電器30 電壓輸出端32 第一信號(hào)輸入端34 第一信號(hào)輸出端36 抽取電流38 輸出電壓40 檢測(cè)42 傳輸44 評(píng)估46 測(cè)定時(shí)間常數(shù)48 比較50 促使
52改變加濕54提高加濕56減少加濕58測(cè)定電容60比較62飛機(jī)64發(fā)動(dòng)機(jī)
66耗電器。
權(quán)利要求
1.用于調(diào)節(jié)在燃料電池(16)中的空氣濕度的裝置，具有 -至少一個(gè)處理器單元(20)； -至少一個(gè)檢測(cè)單元(22)和 -至少一個(gè)斷續(xù)器單元(24)； 其中，所述處理器單元(20)與所述斷續(xù)器單元(24)連接，并且具有與所述檢測(cè)單元(22)的信號(hào)輸出端(30)連接的第一信號(hào)輸入端(32)和能夠與所述燃料電池(16)的加濕控制單元(18)的控制輸入端連接的第一信號(hào)輸出端(34)； 其中，所述檢測(cè)單元(22 )設(shè)置成用于與所述燃料電池(16 )連接和用于檢測(cè)所述燃料電池(16)的輸出電壓， 其中，所述處理器單元(20 )設(shè)置成用于在時(shí)間段T內(nèi)通過(guò)觸發(fā)所述斷續(xù)器單元(24 )而中斷在所述燃料電池(16)和耗電器(28)之間的連接，并且從所述燃料電池(16)的輸出電壓的由此引起的階躍響應(yīng)中測(cè)定所述燃料電池(16)的時(shí)間常數(shù)，并且依據(jù)已測(cè)定的所述時(shí)間常數(shù)與預(yù)先給定的時(shí)間常數(shù)的偏差驅(qū)動(dòng)所述加濕控制單元(18)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的裝置， 具有多個(gè)檢測(cè)單元(22)，所述檢測(cè)單元用于單獨(dú)地檢測(cè)燃料電池堆(14)的多個(gè)燃料電池(16)的輸出電壓。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的裝置， 其中，檢測(cè)單元(22)設(shè)置成用于能夠與多個(gè)相互連接的燃料電池(16)連接。
4.根據(jù)前述權(quán)利要求之一所述的裝置，其中，所述處理器單元(20)設(shè)置成用于將所測(cè)定的所述時(shí)間常數(shù)與預(yù)先給定的電容相比較，并且在預(yù)先給定的時(shí)間常數(shù)下降了超過(guò)預(yù)先給定的公差時(shí)，促使所述加濕控制單元(18)減少所述燃料電池(16)的加濕。
5.根據(jù)前述權(quán)利要求之一所述的裝置，其中，所述處理器單元(20)設(shè)置成用于在達(dá)到預(yù)先給定的時(shí)間常數(shù)時(shí)，促使所述加濕控制單元(18)提高所述燃料電池(16)的加濕。
6.根據(jù)前述權(quán)利要求之一所述的裝置，還具有緩沖存儲(chǔ)器(26)，所述緩沖存儲(chǔ)器用于在測(cè)定所述輸出電壓的所述階躍響應(yīng)時(shí)，橋接耗電器(28 )的供電。
7.根據(jù)前述權(quán)利要求之一所述的裝置，其中所述時(shí)間段T在50ms和150ms之間。
8.根據(jù)權(quán)利要求I至6之一所述的裝置，其中所述時(shí)間段T在150ms和500ms之間。
9.根據(jù)前述權(quán)利要求之一所述的裝置，其中所述處理器單元(20)設(shè)置成用于從所述階躍響應(yīng)中確定所述燃料電池(16)的至少一個(gè)雙層電容(6)和/或薄膜電阻(2)，并且與預(yù)先給定的雙層電容或預(yù)先給定的薄膜電阻相比較，并且依據(jù)相應(yīng)的偏差驅(qū)動(dòng)所述加濕控制單元(18)。
10.燃料電池系統(tǒng)，具有至少一個(gè)燃料電池(16)以及至少一個(gè)根據(jù)權(quán)利要求I至9之一所述的裝置。
11.用于調(diào)節(jié)燃料電池(16)的空氣濕度的方法，具有下述步驟 -在時(shí)間段T內(nèi)中斷在所述燃料電池(16)和耗電器(28)之間的連接； -借助于檢測(cè)單元(22)檢測(cè)(40)在所述燃料電池(16)上的所述輸出電壓的階躍響應(yīng)； -將已檢測(cè)的電壓分布傳輸(42 )給處理器單元(20 ); -借助于所述處理器單元(20 )測(cè)定(46 )所述燃料電池(16 )的時(shí)間常數(shù)；-將所述時(shí)間常數(shù)與預(yù)先給定的時(shí)間常數(shù)相比較(48);并且 -在預(yù)先給定的所述時(shí)間常數(shù)下降了超出允許的界限時(shí)，促使(50)加濕控制單元(18)減少(56 )所述燃料電池(16 )的加濕。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，還具有下述步驟 -在達(dá)到預(yù)先給定的時(shí)間常數(shù)時(shí)，促使所述加濕控制單元(18)提高(54)所述燃料電池(16)的加濕。
13.根據(jù)權(quán)利要求10的燃料電池系統(tǒng)(12)在飛機(jī)(62)中的使用。
14.飛機(jī)(62)，具有至少一個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)(64)、至少一個(gè)耗電器(28)和至少一個(gè)根據(jù)權(quán)利要求10所述的燃料電池系統(tǒng)(12)。
全文摘要
一種用于調(diào)節(jié)在燃料電池中的空氣濕度的裝置和方法，其檢測(cè)在中斷耗電器的供電時(shí)燃料電池的輸出電壓的階躍響應(yīng)，并且從所檢測(cè)的階躍響應(yīng)中測(cè)定動(dòng)態(tài)的時(shí)間特性的參數(shù)，并且從而算出燃料電池的電容。依據(jù)與預(yù)先給定的電容的可能的偏差，促使加濕控制單元提高或減少加濕。因此，燃料電池的濕度平衡的就地檢測(cè)是可能的，所述燃料電池能夠使它的電功率在較長(zhǎng)的時(shí)間段內(nèi)保持恒定，這特別是能夠延長(zhǎng)維護(hù)周期。
文檔編號(hào)B64D41/00GK102714330SQ201180006894
公開(kāi)日2012年10月3日 申請(qǐng)日期2011年1月20日 優(yōu)先權(quán)日2010年1月22日
發(fā)明者卡斯滕·勒德雷爾, 漢斯格奧格·舒爾德齊希 申請(qǐng)人:空中客車(chē)德國(guó)運(yùn)營(yíng)有限責(zé)任公司