專利名稱：測定和/或調(diào)節(jié)燃料電池和/或燃料電池組件的溫度的裝置和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及測定和/或調(diào)節(jié)燃料電池和/或燃料電池組件溫度的裝置和方法，尤其是涉及測定和/或調(diào)節(jié)聚合物電解質(zhì)膜(PEM)燃料電池和/或高溫聚合物電解質(zhì)膜(HTM)燃料電池的溫度的裝置和方法。
HTM燃料電池由本申請人以同名申請所公開。
迄今為止，人們是在燃料電池組件的某一位置，例如組件的端板處或借助于逸出的廢氣的溫度來測定燃料電池組件的溫度。但是，這種測定方法沒有考慮到燃料電池組件的內(nèi)部和燃料電池單元內(nèi)部所存在的溫度梯度，而該溫度梯度是由另外的放熱反應(yīng)、冷卻和/或輸入的工藝氣體(Prozessgqse)的溫度引起的。按照已知方法測量燃料電池組件的溫度時，是不考慮溫度分布的，這是因為在測量溫度時，首先認為組件和/或燃料電池單元的溫度分布是大致均勻的。
這種不精確的溫度測量結(jié)果部分是錯誤的、部分大大地延遲了組件的溫度調(diào)節(jié)，不僅降低了組件的效率，而且因材料超負荷而縮短了構(gòu)件的使用壽命。
可以斷定，對燃料電池，尤其是PEM(聚合物電解質(zhì)膜)燃料電池和/或HTM(高溫聚合物電解質(zhì)膜)燃料電池效率提出的有關(guān)要求，要求人們改進溫度檢測和/或溫度調(diào)節(jié)方式。
因此，本發(fā)明的目的是提供一種用于測定和/或調(diào)節(jié)燃料電池系統(tǒng)溫度的裝置和方法，克服存在的缺點。
本發(fā)明的主題是提供一種測定溫度的裝置，至少在一測量點例如燃料電池組件和/或燃料電池單元某一位置和/或某一范圍測定溫度并將其傳輸給用于模擬計算的計算單元，然后計算單元借助于模擬計算確定組件的溫度分布并將信息傳輸給控制裝置，通過控制裝置可調(diào)節(jié)組件的溫度。
本發(fā)明的另一主題是提供一種動態(tài)調(diào)節(jié)溫度和/或工藝氣體組成的方法，其中測定燃料電池組件的溫度和/或燃料電池組件和/或組件中燃料電池單元內(nèi)部的工藝氣體的組成，將該信息直接或通過一用于模擬計算的計算單元傳輸給控制裝置，控制裝置將至少一接受的實際值(Ist-Wert)與一預(yù)定的額定值進行對比并至少要控制相應(yīng)的調(diào)節(jié)裝置，以使實際值調(diào)整到額定值。
根據(jù)裝置的安置，該裝置包括至少一直接測定溫度的元件，例如熱電偶、溫度探測器和/或溫度傳感器。在這種設(shè)置中，例如在組件燃氣供應(yīng)通道或廢氣排放通道的一有代表性的范圍內(nèi)，反應(yīng)室內(nèi)、一有效平面上、一極板上和/或一其他有代表性的一個或多個或全部燃料電池單元的位置上至少設(shè)置這樣的一種元件。根據(jù)一改變方案，在這種設(shè)置中，將進行氣體分析的元件例如氣體傳感器與直接檢測溫度的元件相組合，以便在測定溫度的同時還可測定其中代表性范圍內(nèi)的例如工藝氣體的組成。
根據(jù)裝置的設(shè)置，包括至少一個間接測定溫度的元件，例如通過元件給出下列燃料電池單元和/或組件的相關(guān)代表性位置或代表性范圍的數(shù)據(jù)-瞬時出現(xiàn)(bewaeltigte)的電負荷，-實際的電池壓力，-瞬時的冷卻劑消耗，-瞬時的冷卻劑加熱和/或-實際的H2流量，-O2分壓借助于該裝置，將信息通過至少一個確定實際溫度測定值作為“實際值”傳輸給用于模擬計算的計算單元，以便借助于模型可以外推其余組件和/或剩余燃料電池單元中的溫度分布。然后將該計算的溫度分布傳輸給一控制裝置，通過該控制裝置調(diào)節(jié)電池壓力、工藝氣體溫度和工藝氣體的輸入和/或工藝氣體的組成、冷卻劑的量、冷卻劑組成或冷卻劑溫度等。在控制裝置中計算出每一工作狀況下溫度分布的額定值。額定值的計算方法是可變的，可根據(jù)系統(tǒng)的效率、熱電功率、系統(tǒng)的動態(tài)等確定一代表性位置和/或一代表性范圍內(nèi)的工作狀況下的各種額定值?？刂蒲b置通過控制調(diào)節(jié)裝置自動地調(diào)節(jié)額定值或者可以示出額定值和實際值的結(jié)果并且操作者(Betreiber)可借助該信息自行進行該調(diào)節(jié)裝置的控制(在根據(jù)控制裝置推薦的環(huán)境下)。
將每一數(shù)據(jù)(溫度、冷卻劑消耗量和/或冷卻劑溫度和/或冷卻劑加熱、H2流量、電負荷、電池壓力、電力供應(yīng)等)，尤其是燃料電池組件和/或燃料電池單元的多個實際數(shù)據(jù)進行綜合，借助該信息和/或由控制裝置中的計算單元提供的信息立即有效地、直接地和動態(tài)地調(diào)節(jié)燃料電池組件中的實際溫度分布。
根據(jù)本發(fā)明的一個實施方案，測定組件和/或燃料電池單元的兩個有代表性的位置的溫度。將燃料電池組件的每一位置或部分作為“有代表性的位置和/或范圍”，根據(jù)本發(fā)明的一個實施方案，將該位點與一“附屬物”即一配件組合，將組件和/或燃料電池單元中至少兩個觀察的代表性位置/范圍之間的溫度的分布的實際過程中收集到的信息傳輸給計算單元。典型的代表性位置或范圍是電池的進氣口和/或出氣口以及組件的周邊部位和燃料電池單元中心的部位。
本文術(shù)語“調(diào)節(jié)裝置”是指例如調(diào)節(jié)計量閥的裝置，該裝置被安裝在工藝氣體供應(yīng)通道內(nèi)。另一實例是電動機用的調(diào)節(jié)電流的裝置，通過該裝置驅(qū)動壓縮機并通過其轉(zhuǎn)數(shù)調(diào)節(jié)流入的空氣量。至于冷卻和電池壓力等的類似實例是有關(guān)的公知技術(shù)。
將與反應(yīng)氣體不同的氣流稱作“工藝氣體”，這種工藝氣體通過電池流動并且除了反應(yīng)氣體外還含有惰性氣體、雜質(zhì)、氣態(tài)和/或液態(tài)的增濕水和/或產(chǎn)物水。
將一代表性位置的溫度值稱作“額定值”，這一數(shù)值是借助控制裝置的計算模擬以使燃料電池和/或系統(tǒng)的效率、功率等達到最佳的一種觀點在該有代表性的位置/范圍測定的。
控制裝置連續(xù)地給出了測定溫度的結(jié)果。控制裝置是借助隨時供其使用的調(diào)節(jié)電子來確定每一工作狀況和每一代表性位置的溫度(額定值)，例如確保系統(tǒng)的效率達到最佳。另外，控制裝置在該位置借助詳細的信息作出判斷，調(diào)節(jié)裝置通過該信息最快地調(diào)整所涉及的位置的溫度，并且可以選擇的方式和/或組合的方式增大冷卻劑的供應(yīng)量，阻斷工藝氣體的輸送，降低電池壓力等。但是，控制裝置的調(diào)節(jié)電子的自動化也可被溫度預(yù)定值和/或調(diào)節(jié)裝置的人工控制代替，以便例如可以考慮到操作者的愿望或在該情況下例如對系統(tǒng)的效率不利的固定系統(tǒng)的溫度規(guī)定值。
借助上述裝置和上述方法可以有效地調(diào)節(jié)溫度，使燃料電池系統(tǒng)內(nèi)的溫度達到最佳化。這種最佳化證明了固定和移動系統(tǒng)中的裝置可同樣使用。
權(quán)利要求
1.測定溫度的裝置，至少在一測量點例如燃料電池組件和/或燃料電池單元某一位置和/或某一范圍測定溫度并將其傳輸給用于模擬計算的計算單元，然后計算單元借助于模擬計算確定組件的溫度分布并將信息傳輸給控制裝置，通過控制裝置可調(diào)節(jié)組件的溫度。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的裝置，其中燃料電池單元是PEM燃料電池或HTM燃料電池和/或燃料電池組件包括PEM燃料電池或HTM燃料電池。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2的裝置，至少包括兩個測定溫度的元件。
4.根據(jù)上述任一項權(quán)利要求的裝置，其中通過控制裝置調(diào)節(jié)電池壓力、工藝氣體供應(yīng)量、工藝氣體溫度、工藝氣體組成、冷卻劑量、冷卻劑組成和/或冷卻劑溫度。
5.根據(jù)上述任一項權(quán)利要求的裝置，至少包括直接測量溫度的元件，例如熱電偶、溫度探測器和/或溫度傳感器。
6.根據(jù)權(quán)利要求5的裝置，其中使分析氣體的元件整合在直接測量溫度的元件中。
7.根據(jù)上述任一項權(quán)利要求的裝置，至少包括一間接測定溫度的元件。
8.動態(tài)調(diào)節(jié)溫度和/或工藝氣體組成的方法，其中測定燃料電池組件的溫度和/或燃料電池組件和/或組件中燃料電池單元內(nèi)部的工藝氣體的組成，將該信息直接或通過一用于模擬計算的計算機傳輸給控制裝置，控制裝置至少將一接受的實際值與一預(yù)定的額定值進行對比并至少控制對應(yīng)的調(diào)節(jié)裝置，將實際值調(diào)整到額定值。
9.根據(jù)權(quán)利要求8的方法，其中借助測定溫度和/或氣體組成的裝置，根據(jù)控制裝置提供的信息和用于模擬計算的計算單元確定組件的溫度分布。
全文摘要
本發(fā)明涉及確定溫度的裝置和方法,其中至少在一測量點例如燃料電池組件和/或燃料電池單元某一位置和/或某一范圍測定溫度并將其傳輸給用于模擬計算的計算單元,然后計算單元借助于模擬計算確定組件的溫度分布并將信息傳輸給控制裝置,通過控制裝置可調(diào)節(jié)組件的溫度。
文檔編號H01M8/10GK1359546SQ00809835
公開日2002年7月17日 申請日期2000年7月4日 優(yōu)先權(quán)日1999年7月5日
發(fā)明者喬基姆·格羅斯, 羅爾夫·布魯克, 米克·賴齊格, 喬爾格－羅曼·康尼茲尼 申請人:西門子公司, 伊密泰克放射技術(shù)有限責(zé)任公司