用于运行燃料电池系统的方法、燃料电池系统与流程

本发明涉及一种具有权利要求1的前序部分的特征的、用于运行燃料电池系统的方法。此外，本发明涉及一种适于执行该方法或者能够根据该方法运行的燃料电池系统。

背景技术：

1、基于氢的燃料电池将氢和氧转化为电能、废热和水。通常，从环境中获取的空气用作氧供应器。为了提高电功率，通常将大量的燃料电池联合成为燃料电池堆，也称作“垛”。该燃料电池堆被多个供应通道穿过，以便给单个的燃料电池供给所需要的反应气体。此外，燃料电池堆具有冷却通道，所述冷却通道能够以冷却回路的冷却剂加载。通过冷却剂将在燃料电池中的电化学的反应中产生的废热导出。此外产生的水通过另外的、穿过燃料电池堆的通道导出。

2、在起动燃料电池系统时，尤其是在温度在0℃以下的情况下，必须首先加热燃料电池堆。尽可能快速的加热确保不能形成水和/或冰累积，所述水和/或冰累积阻碍甚至完全地阻止起动过程。然而，当被引入到燃料电池堆中的冷却剂达到0℃以上的温度时，才去除结冰危险。因此，在冷冻起动时，冷却剂或者在垛外部或者通过在垛中的电化学反应被加热。然而，这两者导致起动过程被拉长。

3、此外，由于在0℃以下的持续冷却，必须提高燃料电池的耐冰能力，例如通过安装冰缓冲器来提高。替代地或者补充地，能够在系统中设置加热器。然而，这带来附加的成本。

技术实现思路

1、因此，本发明致力于这样的任务：尽可能在没有呈加热器形式的附加热功率的情况下改进燃料电池系统的冷冻起动能力。同时，应节省成本。

2、为了解决该任务，提出具有权利要求1的特征的方法以及具有权利要求5的特征的燃料电池系统。从相应的从属权利要求可得知有利的实施方式。

3、提出一种用于运行燃料电池系统的方法，在该方法中，通过供气路径将空气供入燃料电池堆，并且通过排气路径将从燃料电池堆排出的废气导出。此外，在该方法中，冷却回路的冷却剂穿过燃料电池堆引导，以将废热导出。根据本发明，在起动情况下，尤其是在燃料电池系统冷冻起动时，冷却剂在进入到燃料电池堆中之前借助于至少一个热交换器被加热，其中，利用从燃料电池堆排出的废气作为热源。

4、利用从燃料电池堆排出的废气的热或者废气焓(abluftenthalpie)，使得系统中安装加热器成为多余的。因此，冷却剂在进入燃料电池中之前能够在没有附加热功率的情况下被加热。此外，能够减少用于提高耐冰能力的措施，例如在燃料电池中使用冰缓冲器。所有这些产生成本降低的影响。此外，能够实现快速的冷冻起动，因为不必像往常那样减少冷却剂体积流，以防止燃料电池在入口区域中冻结。快速的起动又减小氢消耗，这同样产生成本降低的影响。

5、根据本发明的优选的第一实施方式，布置在冷却回路中的热交换器被用于加热冷却剂。在起动情况下，尤其是在冷冻起动时，那时借助于至少一个集成到废气路径中的阀使从燃料电池组排出的废气改道到热交换器中。在一些情况下，冷却剂的加热不是必需的，集成到排气路径中的阀能够保持打开，从而没有废气被改道到热交换器中。为了防止废气从排气路径回流到热交换器中，能够设置另外的阀，所述另外的阀布置在排气路径的改道线路中。然后将所述另外的阀关闭。

6、集成到冷却回路中的热交换器尤其能够涉及气水热交换器，因为废气涉及气体并且冷却回路的冷却剂优选涉及水。优选地，热交换器实施为对流热交换器。然而也能够实施为错流热交换器。

7、根据本发明的优选的第二实施方式，布置在排气路径中的热交换器被用于加热冷却剂。在起动情况下，尤其是在冷冻起动时，那时借助于至少一个集成到冷却回路中的阀使冷却剂改道到热交换器中。这里，在热交换器中的冷却剂也从废气旁经过地被导向，从而热交换器尤其能涉及气水热交换器。优选地，热交换器实施为对流热交换器。然而也能够使用错流热交换器。

8、根据本发明的优选的第三实施方式，使用布置在冷却回路中的热交换器以及布置在排气路径中的热交换器。根据至少一个阀的接通位置，所述热交换器通过另外的冷却回路被连接或者能够连接。也就是说，冷却剂不是直接地被废气加热，而是间接地被另外的冷却回路的冷却剂加热。

9、另外的冷却回路尤其能够是下述冷却回路：所述冷却回路用于在系统正常运行时给在燃料电池堆的入口侧上的空气调温。在相应的线路连接中，在起动情况下，尤其是在系统冷冻起动时，利用另外的冷却回路来加热第一冷却回路的冷却剂。合适的线路连接能够借助于阀、例如三通阀和/或四通阀实现。

10、集成到那个冷却回路中或者那两个冷却回路中的热交换器优选是水水热交换器。在这种情况下，集成到排气路径中的热交换器是气水热交换器。热交换器能够分别实施为对流热交换器或者错流热交换器。

11、此外提出的燃料电池系统包括燃料电池堆、供气路径和排气路径，通过所述供气路径能够将空气供给到燃料电池堆，通过所述排气路径能够将从燃料电池堆排出的废气导出。此外，燃料电池系统包括对冷却剂进行导向的冷却回路，以将燃料电池堆的废热导出。根据本发明，将热交换器集成到排气路径中或者可接通的排气辅助路径中，冷却回路、冷却回路的可接通的扩展部或者另外的冷却回路穿过所述热交换器被导向，所述另外的冷却回路与第一冷却回路通过另外的热交换器以进行热传递的方式连接。

12、因此，所提出的燃料电池系统具有对于先前所说明的、根据本发明的方法的执行所需要的所有部件。也就是说，所提出的燃料电池系统能够根据先前所说明的根据本发明的方法运行。因此，能够实现相同的优点。尤其是，能够在不使用附加的加热器的情况下实现快速的冷冻起动。要提高系统的耐冰能力的措施能够减少或者甚至完全取消。相应地，成本减小。同时，能够减少氢消耗。

13、由此实现下述优点：在起动情况下，尤其是在系统冷冻起动时，能够利用从燃料电池堆排出的暖的废气用于加热冷却回路的冷却剂。为此，根据燃料电池系统的具体构型，废气的热或者直接地被放出到冷却回路的冷却剂，或者通过另外的冷却回路的冷却剂间接地放出。如果直接地传递热，则能够将为此而设置的热交换器集成到冷却回路中或者排气路径中。如果连接另外的冷却回路，则设置至少两个热交换器。

14、根据本发明的一种优选的实施方式，将阀集成到排气路径中，借助于该阀能够接通排气辅助路径。也就是说，在阀打开时，将从燃料电池堆排出的暖的废气引导到辅助废气路径中。然后，通过排气辅助路径能够将废气供入热交换器，所述热交换器集成到冷却回路中。然后，在热交换器下游，又能够将来自废气辅助路线的废气引入到排气路径中。有利地，将另外的阀、尤其是截止阀集成到排气辅助路径中，以防止废气回流到热交换器中。

15、根据本发明的另一优选的实施方式，将阀集成到第一冷却回路中，借助于该阀能够接通冷却回路的扩展部。因此，在阀打开时，能够扩展冷却回路并且将冷却剂供入集成到排气路径中的热交换器。这节省了对废气流的改道。此外，在合适的线路连接中，经扩展的冷却回路能够用于给在燃料电池堆的入口侧上的空气调温。这同时带来下述优点：仅需要一个冷却剂泵来泵送冷却剂。

16、此外提出，将至少一个阀集成到冷却回路的扩展部中或者集成在另外的冷却回路中，以绕开集成到排气路径中的热交换器。由于能够绕开集成到排气路径中的热交换器，在系统正常运行时能够避免冷却剂被废气加热，从而提高冷却剂的冷却效果。尤其是当冷却剂同时被用于给在燃料电池堆的入口侧上的空气调温时，这是有利的。然后，所述空气能够借助于冷却剂更有效率地冷却。

17、为了利用第一冷却回路或者另外的冷却回路的冷却剂来给在燃料电池堆的入口侧上的空气调温，此外提出：(根据用于绕开集成到排气路径中的热交换器的至少一个阀的接通位置)冷却回路或者另外的冷却回路的扩展部穿过至少一个集成到供气路径中的热交换器导向，用于给空气调温。