用于在霜冻启动条件下启动燃料电池装置的方法以及燃料电池装置和机动车
阅读说明：本技术 用于在霜冻启动条件下启动燃料电池装置的方法以及燃料电池装置和机动车 (Method for starting a fuel cell arrangement in a frost start condition, and fuel cell arrangement and motor vehicle ) 是由 L·利普哈特 S·迪森 末松启吾 F·J·巴尔武埃纳恩西纳斯 于 2020-01-30 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种用于在霜冻启动条件下启动具有多个燃料电池的燃料电池装置的方法,该方法包括如下步骤：查明对于所述燃料电池装置来说是否存在霜冻启动条件；在阳极侧供应含氢反应物并且在阴极侧以氧气不足的亚化学计量比例来供应含氧反应物；将以亚化学计量比例对反应物的供应保持可预先给定的时间段；在所述时间段期满之后,在放电阶段(3)引起所述燃料电池(2)的完全放电；而且然后将燃料电池装置转变到正常模式(4),其中按照给定的运行状态的需要和性能要求来供应所述反应物。本发明还涉及一种燃料电池装置以及一种机动车。(The invention relates to a method for starting a fuel cell arrangement having a plurality of fuel cells under frost start conditions, comprising the steps of: ascertaining whether a frost start condition exists for the fuel cell apparatus; supplying a hydrogen-containing reactant on the anode side and an oxygen-containing reactant in a substoichiometric proportion deficient in oxygen on the cathode side; maintaining the supply of reactants in substoichiometric proportions for a predeterminable period of time; -inducing a complete discharge of the fuel cell (2) in a discharge phase (3) after the expiration of said time period; and then the fuel cell device is switched to a normal mode (4) in which the reactants are supplied according to the requirements and performance requirements of the given operating state. The invention also relates to a fuel cell device and to a motor vehicle.)
技术领域
本发明由一种用于在霜冻启动条件下启动具有多个燃料电池的燃料电池装置的方法构成，该方法包括如下步骤：查明对于燃料电池装置来说是否存在霜冻启动条件；在阳极侧供应含氢反应物并且在阴极侧以氧气不足的亚化学计量比例来供应含氧反应物；将以亚化学计量比例对反应物的供应保持可预先给定的时间段；在该时间段期满之后，在放电阶段引起燃料电池的完全放电；而且然后将燃料电池装置转变到正常模式，其中按照给定的运行状态的需要和性能要求来供应反应物。本发明还涉及一种燃料电池装置以及一种机动车。
背景技术
燃料电池装置，尤其是当这些燃料电池装置在像机动车那样的移动单元中被使用时，可能受到变化着的环境条件的影响，其中尤其是环境温度对于燃料电池装置的包括其启动和停止在内的运行来说重要。即如果在启动燃料电池装置时存在霜冻条件，或者在关闭燃料电池装置时预期在后续启动时有霜冻条件，则必须采取适当的措施，以便避免在由多个燃料电池形成的燃料电池堆中的冰堵，原因在于冰堵可能妨碍或者甚至完全阻断反应物、即含氢燃料和含氧气体、尤其是空气的供应。为了避免冰堵，公知有适当的方法步骤，这些方法步骤包括在关闭燃料电池装置时对燃料电池堆进行干燥；但是，如果在启动燃料电池装置时形成的产物水结冰，则也可能形成冰堵。为此，也公知适当的措施，以便通过应用适当的霜冻启动策略来防止产物水的结冰。
在此，用于消除冰堵的途径通过提供足够的加热功率、更确切地说由燃料电池装置本身提供足够的加热功率来给出，其中只应该生成低的电功率。这可以通过燃料电池的低效率来实现，其方式是在通常由空气来提供氧气的情况下减小空气质量流。由此，在电流-电压图中被传输电阻占主导的区域朝向更小的电流移动，在所述更小的电流处，欧姆区域占主导，如在图5中所示。
在US 10038205 B2中公开了空气质量流的减小，该文献描述了：在低温下启动时，通过压缩机的节流来实现对空气的减少的供应，其中通过打开阀门来提供具有少量空气的替代气流。
DE 102 97 626 B4叙述了在空气/空气启动时的做法，其中启动方法也提供对阳极流场废气的再循环，该阳极流场废气最初完全填充空气并且接着被增加燃料。
在霜冻启动条件下利用为了降低效率而减小的空气质量流来启动燃料电池装置的情况下存在问题，即质量和体积流小，利用这些质量和体积流无法将水从阴极的气体通道中排出。因此，液态水在那里聚集并且妨碍气体通道中的气体分布，这由于电化学效应而导致非常高和非常低的单电池电压，其中尤其是高电池电压导致电极的退化。
发明内容
因而，本发明所基于的任务在于：在用于在霜冻启动条件下启动燃料电池装置的方法中减小或者甚至避免在燃料电池装置的单电池中的不希望存在的电压差。任务还是：提供一种经改善的燃料电池装置和一种经改善的机动车。
该任务的涉及该方法的部分通过具有权利要求1的特征的方法来被解决，涉及该燃料电池装置的部分通过具有权利要求7的特征的燃料电池装置来被解决，而且该任务的涉及该机动车的部分通过具有权利要求9的特征的机动车来被解决。本发明的具有适宜的扩展方案的有利的设计方案在从属权利要求中说明。
在用于在霜冻启动条件下启动具有多个燃料电池的燃料电池装置的方法中，首先查明对于燃料电池装置来说是否存在霜冻启动条件，即检查依据内部或外部参数是否能够确认霜冻启动条件，如果具有被加热的燃料电池装置的机动车只是短暂地停下，则即使在室外温度低于零摄氏度的情况下也不一定必须存在所述霜冻启动条件。对于存在霜冻启动条件的情况来说，接着在阳极侧供应含氢反应物并且在阴极侧以氧气不足的亚化学计量比例来供应含氧反应物，用于以低效率来运行燃料电池装置，以生成热量。然后将以亚化学计量比例对反应物的供应保持可预先给定的时间段，并且在该时间段期满之后，在放电阶段引起燃料电池的完全放电。然后，将燃料电池装置转变到正常模式，其中按照给定的运行状态的需要和性能要求来供应反应物。该放电阶段引起：燃料电池装置的所有单电池都被调整到共同的电位上，使得在正常模式下，均匀的氧气供应引起所有单电池的一致的电池电压。
优选地，通过停止由反应物来源供应含氧反应物并且将燃料电池中的全部氧气消耗掉，必要时通过使含氧反应物再循环并且在此逐渐消耗氧气，引起燃料电池的完全放电。
重要的是：在提供共同的电池电位的放电阶段之后，在气体通道中不会出现由于堵塞而引起的新问题，即加热已经充分进行。通过该时间段根据具体的给定的霜冻启动条件被安排为使得在该时间段结束时在反应物的供给和反应路径中的堵塞消除来保证这一点。
在该新方法中也存在如下可能性：在该放电阶段之前，通过如下方式来促进燃料电池装置的加热：使用空气作为含氧反应物并且通过减小空气质量流来实现以亚化学计量比例对含氧反应物的供应。
还有利的是：一直保持该放电阶段，直至所有燃料电池都具有共同的电位并且在正常模式下具有相同的目标电压为止，使得也存在确定该放电阶段的时长的标准。
经改善的用于执行该方法的燃料电池装置的特点在于：设置用于开始和结束该放电阶段的控制单元，其中该控制单元也可以集成到装置控制中。
具有经改善的、可根据本发明的方法运行的燃料电池装置的新型机动车总体上表现出较少的磨损或退化并且具有提高的效率。
附图说明
本发明的其它优点、特征和细节根据权利要求书、随后对优选的实施方式的描述以及依据附图来得到。在此：
图1示出了在霜冻启动条件下利用为此所需的负载变换来启动燃料电池装置的包括放电阶段在内的与时间相关的图示（时间t），其中霜冻启动运行用虚线用纵坐标上的BTF来表征，正常运行用纵坐标上的BTN来表征，并且关闭的燃料电池装置用纵坐标上的BToff来表征；
图2示出了在放电阶段结束并且转变到正常模式之后所有单电池（Cell）的电池电压图，其中开路电压用纵坐标上的OCV来表征并且目标电压用纵坐标上的VZ来表征；
图3示出了与图1相对应的关于从现有技术中公知的方法的图示；
图4示出了与图2相对应的在负载变换期间的电池电压图的图示；以及
图5示出了在霜冻启动时空气质量不足的影响的示意图。
具体实施方式
燃料电池装置通常包括燃料电池堆，该燃料电池堆具有多个串联的燃料电池。
这些燃料电池中的每个燃料电池都包括阳极和阴极以及将阳极与阴极分开的质子传导膜。该膜由离聚物、优选地磺化的四氟乙烯聚合物（PTFE）或者全氟磺酸（PFSA）的聚合物形成。替选地，该膜可以形成为磺化烃膜。
可以附加地向阳极和/或阴极添加催化剂，其中膜优选地在其第一侧和/或在其第二侧涂层有催化剂层，该催化剂层由贵金属构成或者由包括像铂、钯、钌等等的贵金属的混合物构成，这些贵金属用作在相应的燃料电池的反应中的反应加速剂。
经由在燃料电池堆之内的阳极区，向阳极供应燃料（例如氢气）。在聚合物电解质膜燃料电池（PEM燃料电池）中，在阳极处，燃料或燃料分子被分解成质子和电子。质子（例如H+）穿过膜，但是该膜对于电子（e-）来说不能透过。在此，在阳极处发生如下反应：2H2 → 4H+ + 4e- （氧化/电子释放）。质子穿过膜到达阴极，而电子经由外部电路被传导到阴极或者被传导到蓄能器。经由在燃料电池堆之内的阴极区，可以向阴极供应阴极气体（例如氧气或者含有氧气的空气），使得在阴极侧发生如下反应：O2 + 4H+ + 4e- → 2H2O （还原/电子吸收）。
只要在启动燃料电池装置时存在霜冻启动条件，就存在如下危险：在由多个燃料电池形成的燃料电池堆中，用于供应反应物的通道被冰阻断，其中冰可能由于在关闭燃料电池装置时对燃料电池堆的干燥不足或者由于在启动燃料电池装置时的产物水结冰而形成。如果在阳极侧存在堵塞，则会发生氢气耗尽，该氢气耗尽导致深度极性转换，该深度极性转换由于碳腐蚀而造成膜电极装置的不可逆的损坏。
现有的堵塞可以通过由燃料电池装置提供足够的加热功率来被瓦解，该燃料电池装置为此应该产生大量热量并且必须提供少量的电功率。这对应于效率降低的运行，如果使用空气作为含氧反应物并且通过减小空气质量流1来实现以亚化学计量比例对含氧反应物的供应，则可以实现该运行（参见图5）。
通过应用用于在霜冻启动条件下启动具有多个燃料电池的燃料电池装置的方法，避免从图3和4中可见的该运行模式的不利后果、即非常不一样的单电池电压2，该方法包括如下步骤：查明对于燃料电池装置来说是否存在霜冻启动条件；在阳极侧供应含氢反应物并且在阴极侧以氧气不足的亚化学计量比例来供应含氧反应物；将以亚化学计量比例对反应物的供应保持可预先给定的时间段；在该时间段期满之后，在放电阶段3引起燃料电池的完全放电；而且然后将燃料电池装置转变到正常模式4，其中按照给定的运行状态的需要和性能要求来供应反应物。
在此，通过停止由反应物来源供应含氧反应物并且将燃料电池中的全部氧气消耗掉，必要时通过使含氧反应物再循环并且在此逐渐消耗氧气，引起单电池2的完全放电。
为了确保在转变到正常模式4时不再存在堵塞，该时间段根据具体的给定的霜冻启动条件被安排为使得：在该时间段结束时在反应物的供给和反应路径中的堵塞消除并且尤其是所有单电池2都具有共同的电位并且在正常模式4下具有相同的目标电压。
经改善的燃料电池装置具有控制单元，为了执行该方法，利用该控制单元来控制放电阶段的开始和结束，其中该控制单元可以集成到装置控制中。
附图标记清单：
1 减小空气质量流
2 单电池/燃料电池
3 放电阶段
4 正常模式
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