本(ben)發(fa)明涉及一種(zhong)具有(you)(you)權利(li)要(yao)求1的(de)前序部分所述(shu)特征的(de)用于運行燃料電池(chi)系(xi)統的(de)方(fang)法(fa)。此外(wai)，本(ben)發(fa)明涉及一種(zhong)適合于執行所述(shu)方(fang)法(fa)或者說可以根據該(gai)方(fang)法(fa)運行的(de)燃料電池(chi)系(xi)統。優選(xuan)的(de)應用領(ling)域是燃料電池(chi)車(che)輛，優選(xuan)具有(you)(you)啟(qi)停運行的(de)燃料電池(chi)車(che)輛。

背景技術：

1、燃料(liao)(liao)電(dian)(dian)池(chi)是(shi)電(dian)(dian)化(hua)學(xue)能量轉換器。尤其能夠使(shi)用氫氣(qi)(h2)和(he)(he)氧氣(qi)(o2)作為反應氣(qi)體。它們借助燃料(liao)(liao)電(dian)(dian)池(chi)轉化(hua)為電(dian)(dian)能、水(shui)(h2o)和(he)(he)熱量。燃料(liao)(liao)電(dian)(dian)池(chi)的核心(xin)是(shi)膜(mo)電(dian)(dian)極(ji)布置(zhi)(mea)，所述膜(mo)電(dian)(dian)極(ji)布置(zhi)包括(kuo)兩(liang)側涂覆有(you)催(cui)化(hua)材料(liao)(liao)以構造電(dian)(dian)極(ji)的膜(mo)。在燃料(liao)(liao)電(dian)(dian)池(chi)的運行中，氫氣(qi)被輸(shu)入一個電(dian)(dian)極(ji)(陽極(ji))，而氧氣(qi)被輸(shu)入另一電(dian)(dian)極(ji)(陰極(ji))。

2、為了增大電(dian)(dian)功(gong)率，在實踐中將大量燃(ran)料電(dian)(dian)池(chi)連接成(cheng)燃(ran)料電(dian)(dian)池(chi)堆或者說(shuo)堆垛。此外，多個燃(ran)料電(dian)(dian)池(chi)堆或者說(shuo)燃(ran)料電(dian)(dian)池(chi)系統可以(yi)聯(lian)接在一起。

3、在(zai)燃(ran)料電(dian)(dian)池系(xi)統的運行中，開動和/或停(ting)止階段表現為高負(fu)載(zai)，該高負(fu)載(zai)會導致燃(ran)料電(dian)(dian)池的降級。在(zai)開動時(shi)，對(dui)此的主要原因在(zai)于陽極中的氫氣-空氣鋒面。當停(ting)止或者說停(ting)機時(shi)，由于陽極被(bei)(bei)供應氫氣而陰極被(bei)(bei)供應氧氣且同時(shi)沒有從堆垛中抽取電(dian)(dian)載(zai)荷，所以引起了待處理的高電(dian)(dian)壓。這(zhe)種情(qing)況尤其會出現在(zai)長(chang)時(shi)間的停(ting)機階段中。

4、為了抵消(xiao)燃(ran)料電池(chi)在開動(dong)和/或停(ting)止(zhi)階段的(de)(de)(de)降級，可以(yi)在系統關閉之前通(tong)過(guo)抽取(qu)電流而(er)不(bu)附加地輸入空(kong)氣(qi)來消(xiao)耗(hao)陰極(ji)中存在的(de)(de)(de)氧氣(qi)。在此(ci)期(qi)間，繼(ji)續為陽(yang)極(ji)供(gong)應氫(qing)氣(qi)，從而(er)單池(chi)電壓并(bing)不(bu)臨界。然而(er)，如果空(kong)氣(qi)擴散到陰極(ji)中，則單池(chi)電壓升高(gao)并(bing)在那里保持多(duo)個小(xiao)(xiao)時，由(you)此(ci)引起破壞性的(de)(de)(de)電化學反應。因(yin)此(ci)，通(tong)常在入口側和出口側均設(she)有截止(zhi)閥(fa)，所述截止(zhi)閥(fa)應在停(ting)機情況下阻止(zhi)空(kong)氣(qi)到達陰極(ji)中。然而(er)，由(you)于它(ta)們不(bu)是完全密封的(de)(de)(de)，特(te)別是在其(qi)使用(yong)壽命期(qi)間，所以(yi)其(qi)效率(lv)是受限的(de)(de)(de)。此(ci)外，截止(zhi)閥(fa)還伴隨著不(bu)小(xiao)(xiao)的(de)(de)(de)壓力損(sun)失。

5、從靜止的(de)應用中(zhong)已知的(de)是，在(zai)開動和/或(huo)關(guan)閉之前利用氮氣(qi)(qi)使陽極以及必(bi)要(yao)時還有陰極惰性化(hua)，以抵消不期望的(de)降級。為(wei)此(ci)，將氮氣(qi)(qi)儲存在(zai)瓶子中(zhong)。然而，出于空間(jian)原因(yin)，這在(zai)移動的(de)應用中(zhong)是不可行(xing)的(de)。此(ci)外，氮氣(qi)(qi)瓶必(bi)須(xu)重新填充和維護，這對成本產生負面影響。

技術實現思路

1、本發明的(de)任務在(zai)于，在(zai)移動(dong)的(de)燃(ran)料電(dian)(dian)池系統中(zhong)實現(xian)惰性化，以抵消燃(ran)料電(dian)(dian)池的(de)降級。

2、為了解決該任務(wu)，提出了具(ju)有(you)權利要求(qiu)1的(de)(de)特(te)征的(de)(de)方(fang)法和具(ju)有(you)權利要求(qiu)7的(de)(de)特(te)征的(de)(de)燃(ran)料電池系統(tong)。可(ke)以從(cong)相應的(de)(de)從(cong)屬(shu)權利要求(qiu)得到(dao)有(you)利的(de)(de)實施方(fang)式。

3、提出(chu)了一種用于運行(xing)具有多個燃(ran)(ran)料電(dian)池(chi)堆的(de)燃(ran)(ran)料電(dian)池(chi)系統的(de)方(fang)法，所述燃(ran)(ran)料電(dian)池(chi)堆分別(bie)具有陰(yin)極(ji)和(he)陽(yang)(yang)極(ji)。分別(bie)經由供(gong)氣(qi)(qi)路(lu)徑將(jiang)空氣(qi)(qi)輸(shu)入到陰(yin)極(ji)，并且分別(bie)經由排氣(qi)(qi)路(lu)徑將(jiang)從燃(ran)(ran)料電(dian)池(chi)堆逸(yi)出(chu)的(de)廢氣(qi)(qi)輸(shu)出(chu)。陽(yang)(yang)極(ji)分別(bie)經由陽(yang)(yang)極(ji)回路(lu)被供(gong)給氫氣(qi)(qi)。根據本發明，當開動和(he)/或關閉(bi)燃(ran)(ran)料電(dian)池(chi)系統時，從燃(ran)(ran)料電(dian)池(chi)堆逸(yi)出(chu)的(de)廢氣(qi)(qi)用于使另外(wai)的(de)燃(ran)(ran)料電(dian)池(chi)堆的(de)陽(yang)(yang)極(ji)和(he)/或陰(yin)極(ji)惰性化。

4、燃(ran)料電池(chi)堆的廢(fei)氣是無氧(yang)的或(huo)至(zhi)少(shao)是貧氧(yang)的，因(yin)此其適合于惰性化另(ling)外的燃(ran)料電池(chi)堆的陽極和/或(huo)陰極。因(yin)此，在提(ti)出的方(fang)法中，在開動和/或(huo)停機情況下，第一燃(ran)料電池(chi)堆的廢(fei)氣用于惰性化第二燃(ran)料電池(chi)堆。

5、借助根據本發(fa)明的方法，可(ke)以有效地(di)消除(chu)或至少減少在開動和/或停(ting)機(ji)情況中出(chu)現的堆垛(duo)降級。因此，延(yan)長(chang)了(le)堆垛(duo)使用壽命。另一個優點是無需(xu)為(wei)了(le)惰性(xing)化而儲存附加(jia)的氣體(例如氮氣)，從而燃料電池系(xi)統的結(jie)構空間需(xu)求(qiu)基本上保持不(bu)變。

6、惰性化(hua)所(suo)需(xu)(xu)的(de)燃(ran)料(liao)電池堆的(de)廢氣優(you)選(xuan)經由具(ju)有集成的(de)截(jie)止閥(fa)的(de)連接線路(lu)輸入(ru)至另(ling)外的(de)燃(ran)料(liao)電池堆，為此打開所(suo)述截(jie)止閥(fa)。因此在最簡單的(de)情況下，僅(jin)需(xu)(xu)要一個另(ling)外的(de)線路(lu)和一個另(ling)外的(de)閥(fa)以(yi)(yi)用(yong)于(yu)執(zhi)行根據本(ben)發(fa)明的(de)方法，從(cong)而附加的(de)結構空間需(xu)(xu)求小得可(ke)以(yi)(yi)忽略(lve)不計。因此，該方法可(ke)以(yi)(yi)非(fei)常(chang)容(rong)易且成本(ben)有利地(di)實施。

7、此外，惰性化(hua)所(suo)需的(de)(de)燃(ran)料(liao)電(dian)池(chi)堆的(de)(de)廢氣(qi)優(you)選直接(jie)(jie)(jie)或(huo)間接(jie)(jie)(jie)地(di)輸入(ru)(ru)至另(ling)外的(de)(de)燃(ran)料(liao)電(dian)池(chi)堆的(de)(de)陽(yang)極(ji)(ji)或(huo)陰極(ji)(ji)，其中(zhong)，間接(jie)(jie)(jie)的(de)(de)輸入(ru)(ru)優(you)選經(jing)由另(ling)外的(de)(de)燃(ran)料(liao)電(dian)池(chi)堆的(de)(de)陽(yang)極(ji)(ji)回(hui)路(lu)或(huo)供氣(qi)路(lu)徑進行(xing)，這取決(jue)于陽(yang)極(ji)(ji)或(huo)陰極(ji)(ji)是否(fou)應(ying)惰性化(hua)。因此，在間接(jie)(jie)(jie)的(de)(de)輸入(ru)(ru)的(de)(de)情況下，提出的(de)(de)具有集(ji)成的(de)(de)截止(zhi)閥的(de)(de)連接(jie)(jie)(jie)線路(lu)通入(ru)(ru)待(dai)惰性化(hua)的(de)(de)燃(ran)料(liao)電(dian)池(chi)堆的(de)(de)陽(yang)極(ji)(ji)回(hui)路(lu)或(huo)供氣(qi)路(lu)徑中(zhong)。

8、此外提(ti)(ti)出(chu)，當(dang)開動和/或(huo)關(guan)(guan)閉(bi)(bi)燃料(liao)(liao)電池(chi)系統時，通過(guo)關(guan)(guan)掉(diao)空(kong)氣(qi)(qi)輸送和空(kong)氣(qi)(qi)壓(ya)縮系統和/或(huo)通過(guo)關(guan)(guan)閉(bi)(bi)至(zhi)(zhi)少(shao)一(yi)個截止閥來中斷向待惰性化的燃料(liao)(liao)電池(chi)堆(dui)的空(kong)氣(qi)(qi)供應。由此確保了，沒(mei)有(you)空(kong)氣(qi)(qi)或(huo)者(zhe)說(shuo)沒(mei)有(you)氧(yang)氣(qi)(qi)進(jin)入待惰性化的燃料(liao)(liao)電池(chi)堆(dui)的陰極。關(guan)(guan)閉(bi)(bi)至(zhi)(zhi)少(shao)一(yi)個截止閥的前提(ti)(ti)條件是(shi)，無論如何存(cun)在(zai)這種(zhong)閥。根據燃料(liao)(liao)電池(chi)堆(dui)或(huo)者(zhe)說(shuo)燃料(liao)(liao)電池(chi)系統的設計，這不是(shi)強制要求的。執行根據本發明的方法不需(xu)要截止閥來截止陰極，從(cong)而可以(yi)省去供氣(qi)(qi)路(lu)徑和/或(huo)排氣(qi)(qi)路(lu)徑中的截止閥。也(ye)就是(shi)說(shuo)，可以(yi)節省截止閥的成本。因此，也(ye)不產(chan)生壓(ya)力損(sun)失，從(cong)而借助提(ti)(ti)出(chu)的方法還能夠(gou)減少(shao)氫氣(qi)(qi)的消耗。

9、通(tong)過打開(kai)集成到陽極(ji)回路(lu)中(zhong)(zhong)(zhong)的清排(pai)閥和/或排(pai)出閥，可以將惰性化的陽極(ji)的陽極(ji)氣(qi)(qi)(qi)(qi)體(ti)從燃(ran)料(liao)(liao)電池系統中(zhong)(zhong)(zhong)去除。替(ti)代地，惰性化的陽極(ji)的陽極(ji)氣(qi)(qi)(qi)(qi)體(ti)可在清排(pai)閥和/或排(pai)出閥打開(kai)的情況(kuang)下經由連(lian)接線路(lu)引入到燃(ran)料(liao)(liao)電池堆(dui)(dui)的排(pai)氣(qi)(qi)(qi)(qi)路(lu)徑中(zhong)(zhong)(zhong)。在此(ci)可以涉及相同的燃(ran)料(liao)(liao)電池堆(dui)(dui)或另外的燃(ran)料(liao)(liao)電池堆(dui)(dui)。然后(hou)，在排(pai)氣(qi)(qi)(qi)(qi)線路(lu)中(zhong)(zhong)(zhong)陽極(ji)氣(qi)(qi)(qi)(qi)體(ti)與廢(fei)氣(qi)(qi)(qi)(qi)混(hun)合，并且可以作為(wei)惰性氣(qi)(qi)(qi)(qi)體(ti)混(hun)合物排(pai)出。

10、根據(ju)本發明的(de)優(you)選設計方案，惰性化所需的(de)廢氣由燃料電(dian)池堆(dui)的(de)亞化學計量運行產生。

11、為了解決開頭提到的(de)任務(wu)，還提出(chu)了具有(you)(you)多個燃(ran)料(liao)(liao)電(dian)池堆的(de)燃(ran)料(liao)(liao)電(dian)池系(xi)統。多個燃(ran)料(liao)(liao)電(dian)池堆各自具有(you)(you)陰(yin)極(ji)和(he)陽極(ji)。陰(yin)極(ji)分(fen)別在入口側與供氣路(lu)徑連接并且在出(chu)口側與排氣路(lu)徑連接。陽極(ji)分(fen)別連接到陽極(ji)回路(lu)。根(gen)據(ju)本(ben)發明，燃(ran)料(liao)(liao)電(dian)池堆的(de)排氣路(lu)徑連接到另外的(de)燃(ran)料(liao)(liao)電(dian)池堆的(de)陽極(ji)和(he)/或(huo)陰(yin)極(ji)，使得另外的(de)燃(ran)料(liao)(liao)電(dian)池堆的(de)陽極(ji)和(he)/或(huo)陰(yin)極(ji)借(jie)助其(qi)它燃(ran)料(liao)(liao)電(dian)池堆的(de)廢氣能(neng)夠惰性化(hua)。

12、因此，提出的燃(ran)料電池系統(tong)特(te)別(bie)適合于執行之(zhi)前所述的方(fang)法或(huo)者說可以(yi)根據該方(fang)法來運行，從(cong)而可以(yi)實現相同的優點(dian)。具體地，在開動(dong)和/或(huo)停機情況(kuang)下(xia)，能夠簡單(dan)且成(cheng)本有利地使燃(ran)料電池堆的陽極和/或(huo)陰極惰性化。

13、燃料(liao)電(dian)(dian)池(chi)堆的(de)(de)排(pai)氣路(lu)徑優選經(jing)由(you)具(ju)有集(ji)成(cheng)的(de)(de)截止(zhi)閥的(de)(de)連(lian)接線路(lu)連(lian)接至另外的(de)(de)燃料(liao)電(dian)(dian)池(chi)堆的(de)(de)陽極和(he)/或陰極。也就是說，在最簡(jian)單的(de)(de)情況下，燃料(liao)電(dian)(dian)池(chi)系統(tong)僅僅必(bi)須擴展(zhan)一(yi)帶有集(ji)成(cheng)的(de)(de)截止(zhi)閥的(de)(de)連(lian)接線路(lu)。由(you)此燃料(liao)電(dian)(dian)池(chi)系統(tong)的(de)(de)男裝空間需求僅略有增加。

14、在此，連接(jie)(jie)(jie)線路(lu)(lu)可(ke)以直接(jie)(jie)(jie)連接(jie)(jie)(jie)到待惰性(xing)化的(de)(de)(de)燃料電池堆的(de)(de)(de)陽極(ji)或(huo)陰(yin)極(ji)。替代(dai)地(di)，連接(jie)(jie)(jie)線路(lu)(lu)可(ke)經由陽極(ji)回路(lu)(lu)間(jian)接(jie)(jie)(jie)地(di)連接(jie)(jie)(jie)到待惰性(xing)化的(de)(de)(de)燃料電池堆的(de)(de)(de)陽極(ji)或(huo)經由供氣路(lu)(lu)徑(jing)間(jian)接(jie)(jie)(jie)地(di)連接(jie)(jie)(jie)到待惰性(xing)化的(de)(de)(de)燃料電池堆的(de)(de)(de)陰(yin)極(ji)。廢氣的(de)(de)(de)間(jian)接(jie)(jie)(jie)的(de)(de)(de)輸(shu)入(ru)能夠特(te)別容易(yi)地(di)實現(xian)。

15、此外提出(chu)了(le)，將空(kong)(kong)氣(qi)(qi)輸(shu)送(song)(song)和空(kong)(kong)氣(qi)(qi)壓縮(suo)系統集(ji)成到至少(shao)一個燃料(liao)電池(chi)堆的(de)(de)供(gong)氣(qi)(qi)路(lu)(lu)徑中。借(jie)助空(kong)(kong)氣(qi)(qi)輸(shu)送(song)(song)和空(kong)(kong)氣(qi)(qi)壓縮(suo)系統能夠在供(gong)氣(qi)(qi)路(lu)(lu)徑中提供(gong)一定的(de)(de)空(kong)(kong)氣(qi)(qi)質量流以及一定的(de)(de)壓力水平。如果要對燃料(liao)電池(chi)堆進行惰性化，則可以通過(guo)空(kong)(kong)氣(qi)(qi)輸(shu)送(song)(song)和空(kong)(kong)氣(qi)(qi)壓縮(suo)系統的(de)(de)停機來(lai)中斷含(han)氧空(kong)(kong)氣(qi)(qi)的(de)(de)輸(shu)入。

16、此(ci)外優選的是，清排(pai)(pai)閥和/或排(pai)(pai)出閥集成到至少一個燃料電池堆的陽(yang)極(ji)回路(lu)中。通過打開清排(pai)(pai)閥和/或排(pai)(pai)出閥，可(ke)以將陽(yang)極(ji)氣(qi)體從陽(yang)極(ji)回路(lu)排(pai)(pai)出。如果陽(yang)極(ji)在惰性化(hua)后(hou)要重新填充氫氣(qi)，則這(zhe)一點尤其必要。

技術特征：

1.一種(zhong)用(yong)于運行具有(you)多(duo)個燃(ran)料電池堆(100、200)的(de)燃(ran)料電池系統(1)的(de)方(fang)法，所(suo)述(shu)燃(ran)料電池堆分別(bie)具有(you)陰(yin)極(110、210)和陽極(120、220)，其(qi)中，分別(bie)經(jing)由供氣(qi)(qi)路徑(111、211)將空氣(qi)(qi)輸入到所(suo)述(shu)陰(yin)極(110、210)，并且(qie)分別(bie)經(jing)由排氣(qi)(qi)路徑(112、212)將從所(suo)述(shu)燃(ran)料電池堆(100、200)逸出(chu)的(de)廢(fei)氣(qi)(qi)輸出(chu)，其(qi)中，所(suo)述(shu)陽極(120、220)分別(bie)經(jing)由陽極回路(121、221)被供給氫氣(qi)(qi)，

2.根(gen)據權(quan)利要求1所述的方(fang)法，

3.根(gen)據權利要求(qiu)1或(huo)2所(suo)述的(de)方法，

4.根據前述權利要求中任一項所述的方法，

5.根據(ju)前述(shu)權利要求(qiu)中(zhong)任一項所述(shu)的(de)方法，

6.根據前述權利要求中任一項所述的方法，

7.一(yi)種具(ju)有多個燃(ran)料(liao)電(dian)池(chi)堆(100、200)的燃(ran)料(liao)電(dian)池(chi)系統(tong)(1)，所(suo)述燃(ran)料(liao)電(dian)池(chi)堆分別具(ju)有陰(yin)極(110、210)和陽極(120、220)，其中，所(suo)述陰(yin)極(110、210)分別在入(ru)口側與供(gong)氣路(lu)徑(111、211)連(lian)接并且在出(chu)口側與排氣路(lu)徑(112、212)連(lian)接，其中，所(suo)述陽極(120、220)分別連(lian)接到陽極回路(lu)(121、221)，

8.根(gen)據權利要(yao)求(qiu)7所述(shu)的燃料電池系統(1)，

9.根據權利要求8所述的燃料(liao)電池(chi)系(xi)統(1)，

10.根(gen)據權利要求(qiu)8所述的燃料電池(chi)系統(tong)(1)，

11.根據(ju)權(quan)利要求7至10中任一項所述的燃料電池系統(tong)(1)，

12.根據權利要求7至11中(zhong)任一項所(suo)述(shu)的燃(ran)料電池系統(1)，

技術總結
本發明涉及一種用于運行具有多個燃料電池堆(100、200)的燃料電池系統(1)的方法，所述燃料電池堆分別具有陰極(110、210)和陽極(120、220)，其中，分別經由供氣路徑(111、211)將空氣輸入到陰極(110、210)，并分別經由排氣路徑(112、212)將從燃料電池堆(100、200)逸出的廢氣輸出，其中，陽極(120、220)分別經由陽極回路(121、221)被供給氫氣。根據本發明，當燃料電池系統(1)開動和/或關閉時，從燃料電池堆(100)逸出的廢氣用于使另外的燃料電池堆(200)的陽極(220)和/或陰極(210)惰性化。本發明還涉及一種用于執行所述方法的燃料電池系統(1)。

技術研發人員：H·克默爾
受保護的技術使用者：羅伯特·博世有限公司
技術研發日：
技術公布日：2024/8/1