專利名稱：燃料電池組的供給系統和報警裝置以及用于控制供給系統的方法
技術領域：
本發明涉及一種燃料電池組的供給系統，具有可調整的加濕裝置，該 加濕裝置的構成和/或者設置是為了在取決于調節信號的情況下加濕輸送 到燃料電池組的輸送氣體，具有除濕裝置，該除濕裝置的構成和/或者設置 是為了對由導過燃料電池組的輸送氣體形成的廢氣進行除濕并將其作為除
濕廢氣排出，以及具有用于產生調節信號的控制裝置以及^L警裝置。本發 明還涉及一種用于控制該供給系統的方法。
背景技術：
燃料電池組在不遠的將來對汽車的移動能量提供是一種可能的選擇。 燃料電池組早已公知的工作方法的基礎是，通常為氫的燃料與通常為外界 空氣的氧化劑產生電化學反應，其中，產生電能或從化學能量中轉換電能。 反應時膜片發揮重要作用，該膜片通常作為PEM (質子交換膜)構成并在 電化學過程期間分離燃料和氧化劑。膜片在燃料電池組工作期間必須在確 定的限度內加濕保持，因為加濕過低會導致膜片干透和加速磨損，而加濕 過高則會導致降低燃料電池組的功率。加濕通常通過對所輸送的工作氣體 的加濕進行。
文獻DE 102 196 26A1公開了一種燃料電池組，其中，為控制加濕使 用濕度傳感器，該傳感器檢測入流工作氣體的濕度并在濕度傳感器的信號 的基礎上控制用于控制濕度的調整裝置，該調整裝置作為通向燃料電池組 前置加濕器的、流量可調的旁通管構成。作為對濕度傳感器的替代，該文 獻還提出將"虛擬控制，，用于控制濕度，其中，然后調整裝置在取決于燃 料電池組的功率的情況下進行控制。
4文獻WO 02/23660 A2采用另一種途徑，其同樣提出一種用于加濕燃 料電池或其膜片的方法。在該方法或相應的裝置方面，作為閥構成的調整 裝置的控制在取決于燃料電池冷卻水溫度的情況下進4亍。
也許形成最新現有技術的文獻JP 2005149897 A (7>開號)介紹了 一種 用于燃料電池的加濕系統。與首先提到的文獻相類似，在這里也提出一種 旁通管方式的調整裝置，該調整裝置繞過加濕裝置，其中，調整裝置通過 控制裝置借助調節信號進行控制，基于對流向燃料電池系統的氣體或在除 濕器前的區域內對從燃料電池系統流出的氣體的溫度檢測產生調節信號。
發明內容
本發明的目的在于，提供一種燃料電池組的供給系統和報警裝置以及 一種用于控制供給系統的方法，該方法可以技術上簡單的方式可靠控制燃 料電池組的膜片范圍內的濕度。
該目的通過具有權利要求1所述特征的供給系統、具有權利要求9或 11所述特征用于控制供給系統的方法和具有權利要求13所述特征的報警 裝置得以實現。本發明優選或者具有優點的實施方式來自從屬權利要求、 后面的說明書和/或者附圖。
依據本發明提出 一種燃料電池組的供給系統，燃料電池組最好具有大 量特別是PEM結構(質子交換膜)的燃料電池(單體)。例如100個以 上的燃料電池來組成一組。
供給系統具有可調整的加濕裝置作為調節單元，該裝置的構成和/或者 設置是為了在取決于調節信號的情況下加濕輸送到燃料電池組的輸送氣 體。輸送氣體作為陰極或者陽極氣體，例如作為外界空氣或氫構成，其中， 特別是燃料從可填充的箱中有選擇地無改變地輸送。加濕裝置提高輸送氣 體的相對濕度，其中，相對濕度最好定義為瞬間水蒸氣壓力與飽和水蒸氣 壓力之間的百分比。特別是在100%的相對濕度情況下，輸送氣體的水蒸 氣完全飽和。在超過100%的情況下，過剩的濕度大多作為冷凝水或霧氣 凝聚。相對濕度的提高在取決于調節信號的情況下被調整，從而由調節信號控制的調節單元調整輸送氣體相對濕度的高低。
此外，除濕裝置與供給系統整體構成，該裝置對來自燃料電池組的相 當于消耗或者部分消耗的輸送氣體的廢氣進行除濕，從而形成除濕廢氣。 利用除濕裝置從廢氣中提取可利用的液體，特別是水，并可將其在循環中 輸送到供給系統并因此重新輸送到燃料電池組。
最后具有用于產生調節信號的控制裝置，其中，調節信號最好是電的， 特別是數字的，但也可以機械的。
依據本發明提出，控制裝置特別是按編程技術和/或者電路技術構成， 調節信號在除濕廢氣的氣體溫度基礎上產生。控制裝置在此方面優選作為
處理器單元構成，例如像微控制器、DSP、 ASIC或者諸如此例的裝置。為 檢測除濕廢氣的氣體溫度，溫度傳感器最好與供給系統整體構成，其中， 為避免測量誤差或者為使測量誤差最小化，溫度傳感器最好直接設置在除 濕裝置的輸出端上和/或者靠近其設置或者與除濕裝置整體構成。
在本發明的一種實踐變化中，調節信號在廢氣與除濕廢氣之間溫差的 基礎上產生。為確定該溫差，例如可以使用一個溫差傳感器或者兩個單獨 的溫度傳感器。取代檢測廢氣的溫度也可以在其他測量部位上檢測溫度， 只要該溫度與廢氣的溫度如前所述足夠相關。換句話說，廢氣溫度測量的 相對測量也處于本發明的框架內。
利用本發明達到的優點是，以合理的成本和位置需求，變化對燃料電 池組輸入端或輸出端上并因此還有燃料電池膜片上的濕度的控制，特別是 調節或者控制。
本發明在此方面從這種思考出發，即通過在除濕裝置內提取廢氣中的 濕度，使廢氣的相對濕度通過除濕裝置的有效長度下降，從而廢氣再次能 夠借助重新蒸發吸收液態水。但這種蒸發需要從廢氣中吸收能量，這種吸 收導致廢氣的冷卻。除濕裝置輸入端與除濕裝置輸出端之間或廢氣與除濕 廢氣之間產生的溫差證明液態水存在并被蒸發。水蒸發得越多，也就是 說，來自燃料電池組的廢氣越潮濕，溫差也就越大。在該思考的變化中，除濕廢氣之間溫差的基礎上足夠精確地確定。在獲知燃料電池組輸出濕度 和其他工作參數時，可以估計或者確定燃料電池組上輸送氣體的輸入濕度。 溫度測量或溫差測量因此對燃料電池組上輸送氣體的輸入濕度形成一種相 對測量，其中，調節信號可以通過控制裝置產生，該調節信號這樣影響加 濕裝置，即為燃料電池組設定希望的濕度條件。
與公知的現有技術相比的其他優點也這樣產生，即燃料電池組或者加 濕裝置加工造成的公差可以通過控制裝置或者通過控制裝置的校準得到考 慮，因為供給系統提供有關燃料電池組實際工作狀態的應答信號。
換句話說，通過燃料電池組輸出端上氣體濕度與在燃料電池組輸出端 與除濕裝置輸出端之間的溫差的關系，可以在確定的范圍內足夠精確地確 定來自燃料電池組的廢氣的相對濕度。因此供給系統也可以借助可調整的 加濕裝置的調節單元這樣改變燃料電池組輸入端的濕度，使燃料電池組輸 出端和輸入端上出現所要求的濕度水平。
在一種優選的實施方式中，控制裝置中實現多變量調節和/或者控制， 從而在使用其他輸入值，例如像燃料電池組溫度、壓力、輸出的燃料電池 組電流和/或者空氣化學計量關系的情況下產生和/或者能夠產生調節信號， 和/或者可以調整其他調節單元例如像燃料電池組的冷卻水溫度、系統壓力 和/或者空氣化學計量關系。在獲知其他的可選輸入變量時，例如可以更加 精確地確定燃料電池組輸出端與輸入端上相對濕度之間的關系。
在一種優選的擴展方案中，加濕裝置和除濕裝置作為氣體對氣體加濕 器構成，該加濕器特別是具有被動的/無源的工作方式。通過這種優選的擴 展方案，使供給系統達到一種特別緊湊的構成，此外將從廢氣中提取的液 體輸送到輸送氣體中以節省燃料。例如，氣體對氣體的加濕器具有濕范圍 和干范圍，它們通過可以擴散液體的膜片分離。特別是除濕裝置這樣構成， 使工作時在濕范圍內存在可以通過部分除濕的氣體重新吸收的液態水。
加濕裝置的調節單元在一種優選的結構變化中作為具有可調閥裝置的 旁通管構成，其中，旁通管繞過加濕裝置。這種實施方式考慮，加濕裝置 或除濕裝置或氣體對氣體加濕器有選擇地根據燃料電池組的滿負荷設計，從而燃料電池組輸入端的空氣濕度在部分負荷時過高并利用通過閥裝置進 行流量控制的旁通管下降。岡裝置在此方面最好作為節流裝置構成。
在一種優選的實施方式中，供給系統的特征在于廢氣相對濕度的工作
范圍在80%與100%之間。 一方面，該工作范圍有利于燃料電池組膜片的 正常工作，另一方面，在該工作范圍內進行溫度測量特別具有說服力。
在一種耐用的變化中，為產生調節信號具有調節電路，其中，調節值 基于除濕廢氣的氣體溫度和/或者廢氣與除濕廢氣之間溫差，或者以所述溫 度和/或溫差形成。
本發明的下一個主題涉及一種用于控制剛才所述供給系統的方法，其 中，利用第一運行模式，在該運行模式中，用于冷卻燃料電池組的冷卻水 溫度在取決于負荷，也就是取決于所產生的電流和/或者所產生的能量情況 下,皮調整，在取決于廢氣與除濕廢氣之間溫差的情況下控制調節信號。在 這種第一運行模式中，冷卻水溫度例如通過固定的特性曲線族或者查找
(Look-Up)表取決于負荷被調整，燃料電池組輸入端上的濕度利用調節 單元借助溫差被控制或者調節。由此可以借助其他工作條件，例如像燃料 電池組電流、空氣化學計量關系、冷卻水溫度、壓力和輸送氣體的輸入溫 度確定和控制燃料電池組內的濕度。空氣化學計量關系表明輸送到燃料電 池的空氣量與燃燒所需空氣量之比。取代空氣化學計量關系， 一般也可以 將空氣質量流量作為工作^t使用。這種第一運行模式的優點特別是在于， 冷卻7jC輸入溫度可以相當迅速地借助特性曲線族被調整，以及濕度僅通過 調節單元進行控制。
在第 一運行模式的 一種補充中，盡可能降低燃料電池組內的系統壓力
(氣體壓力)。濕度的調整利用調節單元進行，從而在所要求的濕度中可 以達到盡可能高的系統效率。這種變化的附加優點在于，低的系統壓力產 生低的聲輻射，以及供給系統可以動態和同時簡單地被調節。
在第二種可能的運行模式中，無論是冷卻水溫度還是調節信號均在取
決于除濕廢氣的溫度和/或者廢氣與除濕廢氣之間溫差的情況下調整或調 節。利用這種第二運行模式，燃料電池組內可以在盡可能低的冷卻水溫度下在輸入和輸出濕度方面調整出所要求的濕度分布(Feuchtigkeitsprofil)， 例如在冬季運行時，這樣對單個燃料電池的使用壽命有利。
在第二運行模式的進一步變化中，此外系統壓力和/或者空氣化學計量 關系在取決于除濕氣體的溫度和/或者廢氣與除濕廢氣之間溫差的情況下 被調節、調整和/或控制。在這種變化中，優點在于盡可能低的冷卻水溫度 并因此延長了燃料電池的使用壽命，由于系統壓力低而系統效率高以及低 的聲輻射可以視為優點。
概括地說，提供一種用于在燃料電池組輸出端與除濕裝置輸出端之間 的溫度或溫差的基礎上控制一一特別是控制或者調節一一燃料電池組輸入 端和/或者輸出端上濕度的系統。通過燃料電池組輸出端上的空氣濕度與在 燃料電池組輸出端與除濕裝置輸出端之間的溫差的關系，可以在確定的工 作范圍內近似確定來自燃料電池組的廢氣的濕度含量。燃料電池組輸入端 濕度可以利用調節單元這樣改變，使在燃料電池組輸出端并因此在輸入端 上調整出所要求的濕度水平。如果工作條件如溫度、壓力、燃料電池組電 流和空氣化學計量關系已知的話，燃料電池組的輸出端濕度與輸入端濕度 直接相關。這種控制原理可以持續調整燃料電池組內不同的濕度水平，這 對于在夏季或冬季運行中的調節可能是必需的，其中，夏季和冬季運行區 別在于加濕裝置干燥側的輸出端上所要求的不同濕度水平。通過檢測溫差
信號，并可以——如果必要一一采取即時措施或進行配合。由此在燃料電 池組運行的正常狀態下更加穩定，特別是減少了出現燃料電池的功率降低 情況，并在故障情況下可以立即做出反應，這一點對于燃料電池的使用壽 命來說是需要的。在一種通過系統壓力調節可選擇的補充中，也可期望對 系統效率產生積極影響。在此方面，所介紹的濕度的測量原理可以成本相 當低地實現。
本發明以相同的獨創性設想為基礎的下一個主題是，用于最好按前述 權利要求之一所述燃料電池組的供給系統的報警裝置，具有除濕裝置，該 除濕裝置的設置和/或者構成是為了對從燃料電池組排出的廢氣進行除濕并將其轉換成除濕廢氣，還具有用于產生控制信號的控制裝置。依據本發 明，控制信號在廢氣與除濕廢氣之間溫差的基礎上產生。報警裝置特別是 在檢測和計值原理方面可選擇具有前面所述供給系統特征的任意選擇。
本發明的其他優點、特征和作用來自本發明優選實施例的下列說明以
及附圖。其中
圖1示出作為本發明的實施例的、具有供給系統的燃料電池裝置的示 意圖2示出用于說明本發明工作原理的測量曲線圖。
具體實施例方式
圖1示出燃料電池裝置1,該裝置例如可以在運輸工具上，特別是在 汽車上作為移動能源使用。燃料電池裝置l僅示意性地以一部分示出，并
具有燃料電池組2以及示意示出用于為燃料電池組2供給工作氣體的供給 系統3。在圖1中，通過氣體供給系統3向燃料電池組2的陰極側供給。 在可選擇的實施方式中，通過這種相應配合的氣體供給系統3也可以供給 燃料電池組2的陽極側。
氣體供給系統3在燃料電池組2上與進氣口 4和排氣口 5按流動技術 連接，從而使輸送氣體流經進氣口 4、此后流經燃料電池組2并作為廢氣 通過排氣口 5離開燃料電池組2。為預處理輸送氣體或廢氣，氣體供給系 統3具有加濕裝置6，該裝置包括用于廢氣除濕的除濕段7和用于輸送氣 體加濕的加濕段8。除濕段7和加濕段8通過膜片9彼此分離。加濕裝置6 例如作為被動的氣體對氣體加濕器構成。
氣體供給系統3內的氣流分布在輸入接口 IO上開始，通過該接口將氧 化劑，特別是外界空氣輸送并導向加濕段8。在加濕段8內利用水加濕氧 化劑從而提高其相對濕度，隨后將其作為輸送氣體導向進氣口 4。在橫穿 燃料電池組2后，現在轉換成廢氣的輸送氣體通過排氣口 5排出并被導向
10加濕裝置6的除濕段7，在該除濕段內對廢氣進行除濕從而產生除濕廢氣。 除濕廢氣最后被導向輸出端接口 11并例如被排到外界。從廢氣提取的液體 (水)通過膜片9被導入加濕段8以用于加濕輸送氣體。
為調整輸送氣體的相對濕度，氣體供給系統3具有旁通管12，其可通 過節流裝置13在流量上進行調整。旁通管12與節流裝置13的組合因此形 成用于調整輸送氣體濕度含量的調節單元。該調節單元非常合理，因為加 濕裝置6通常根據輸送氣體的最大流量設計，特別是在燃料電池組2的部 分負荷情況下會將過高的濕度加入輸送氣體內。通過旁通管12， 一部分輸 送氣體繞過加濕裝置6流動，從而僅是剩余的部分被加濕并隨后重新與輸 送氣體的干燥部分混合，其中，作為結果形成部分加濕的輸送氣體。
為控制可調的節流裝置13具有控制裝置14，該控制裝置接收第一溫 度傳感器15和第二溫度傳感器16的測量信號作為輸入信號，該第一溫度 傳感器15為檢測除濕廢氣T m (干)的溫度設置在加濕裝置6的輸出端 上，該第二溫度傳感器16設置在燃料電池組2的排氣口 5上和/或者加濕 裝置6的輸入端上并設計成用于檢測廢氣T廢氣(濕)的溫度。溫度的差值 △ T表示對從排氣口 5排出的廢氣的濕度一一特別是相對濕度一一的相對 測量。在有選擇地使用其他測量值的情況下，例如像溫度傳感器17的冷卻 7K輸入溫度TKW (入)、傳感器18的冷卻水輸出溫度TKW (出)、傳感 器3在加濕裝置6前的輸送氣體溫度Tox (入)或在進氣口 4上通過傳感 器19的Tox (出)和/或者通過系統壓力傳感器20的壓力信號p，可以確 定進氣口4上輸送氣體的濕度，特別是相對濕度。
進氣口 4或排氣口 5上的濕度在一在控制裝置14內實現的調節電路中 作為調節值使用，其中，調節電路對作為調節單元的節流裝置13進行訪問。 利用調節電路可以通過節流裝置13有針對性地通過調節信號調整燃料電 池組2內部的濕度水平。
作為選擇，控制裝置14也可以作為報警裝置使用，其中，在超過或低 于輸送氣體或廢氣的預先規定的濕度極限時，可以向報警裝置21發出報警 信號。圖2示出廢氣與除濕廢氣之間的溫差和輸送氣體相對濕度之間的關系 (f (相對濕度，AT))。
正如從圖形AT的曲線分布中清楚看到的那樣，溫差在相對濕度低于 80%的情況下等于0，在空氣濕度高于100%的情況下保持在恒定值。這意 味著，在相對濕度為80%到100%之間，溫差對廢氣的相對空氣濕度是一 種有說服力的相對測量值。
權利要求
1.燃料電池組(2)的供給系統(3)，具有可調整的加濕裝置(13、8)，該加濕裝置的構成和/或者設置是為了在取決于調節信號的情況下加濕輸送到燃料電池組(2)的輸送氣體；具有除濕裝置(7)，該除濕裝置的構成和/或者設置是為了使由導過燃料電池組(2)的輸送氣體形成的廢氣被除濕并作為除濕廢氣排出；具有用于產生調節信號的控制裝置(14)；其特征在于，所述控制裝置(14)設計成，在除濕廢氣的氣體溫度(T廢氣(干))的基礎上產生調節信號。
2. 按權利要求1所述的供給系統(3),其特征在于，所述調節信號在廢氣與除濕廢氣之間溫差(AT)的基礎上產生。
3. 按權利要求1或2所述的供給系統(3 )，其特征在于多變量調節或者控制，從而在使用其他變量一一優選燃料電池組溫度(Tkw (入)、Tkw (出))、壓力(p)、輸出的燃料電池組電流和/或者空氣化學計量關系一一的情況下產生和/或者能夠產生所述調節信號。
4. 按前述權利要求之一所述的供給系統(3)，其特征在于，加濕裝置(7)和除濕裝置(8)作為氣體對氣體加濕器(6)構成。
5. 按前述權利要求之一所述的供給系統(3)，其特征在于，除濕裝置(8)具有在取決于調節信號的情況下調整加濕的調節裝置(13)，其中，調節裝置作為具有閥裝置(13)的旁通管(12)構成。
6. 按前述權利要求之一所述的供給系統(3)，其特征在于，廢氣相對濕度的工作范圍在80%與100%之間。
7. 按前述權利要求之一所述的供給系統(3),其特征在于，為產生調節信號具有調節電路，其中，調節值基于除濕廢氣(T廢氣(干))的氣體溫度和/或者廢氣與除濕廢氣之間溫差(厶T)，或者以所述溫度和/或溫差構成。
8. 按前述權利要求之一所述的供給系統(3),其特征在于，該供給系統按編程技術和/或者電路技術設計，以便實施后面權利要求所述的方法。
9. 用于控制按前述權利要求之一所述供給系統(3)的方法，具有一運行模式，其中，燃料電池組(2)的冷卻水溫度(TKW (入))取決于負荷被調整，所述調節信號在取決于廢氣與除濕廢氣之間溫差(AT)的情況下被調整。
10. 按權利要求9所述的用于控制供給系統(3)的方法，其特征在于，使系統壓力(p)最小化。
11. 按前述權利要求之一所述的用于控制供給系統(3)的方法，具有一運行模式，其中，冷卻水溫度(TKW (入))和調節信號在取決于廢氣與除濕廢氣之間溫差(AT)的情況下被調整。
12. 按權利要求11所述的用于控制供給系統的方法，其特征在于，此外空氣化學計量關系和/或者系統壓力在取決于廢氣與除濕廢氣之間溫差(AT)的情況下被調整。
13. 報警裝置，用于最好按前述權利要求之一所述的燃料電池組(2)供給系統，具有除濕裝置(7)，該除濕裝置的設置和/或者構成是為了對燃料電池組(2)排出的廢氣進行除濕并在此將所述廢氣轉換成除濕廢氣，還具有用于產生控制信號的控制裝置(14)，其特征在于，所述控制信號在廢氣與除濕廢氣之間的溫差(AT)的基礎上產生。
全文摘要
燃料電池組早已公知的工作方法的基礎是，通常為氫的燃料與通常為外界空氣的氧化劑產生電化學反應，其中，產生電能或從化學能量中轉換電能。反應時膜片發揮重要作用，該膜片通常作為PEM(質子交換膜)構成并在電化學過程期間分離氧化劑與燃料。本發明涉及一種燃料電池組(2)的供給系統(3)，具有可調整的加濕裝置(13、8)，該加濕裝置的構成和/或者設置是為了在取決于調節信號的情況下加濕輸送到燃料電池組(2)的輸送氣體，具有除濕裝置(7)，該除濕裝置的構成和/或者設置是為了對由導過燃料電池組(2)的輸送氣體形成的廢氣進行除濕并將其作為除濕廢氣排出，以及具有用于產生調節信號的控制裝置(14)，其中，控制裝置(14)按編程技術和/或者電路技術設計，在除濕廢氣的氣體溫度(T<sub>廢氣</sub>(干))的基礎上產生調節信號。
文檔編號H01M8/04GK101652890SQ200780051176
公開日2010年2月17日 申請日期2007年2月9日 優先權日2007年2月9日
發明者S·施泰因胡伯爾, U·帕澤拉 申請人:戴姆勒股份公司;福特環球技術公司