專利名稱：燃料電池系統(tǒng)和驅(qū)動該燃料電池系統(tǒng)的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及燃料電池系統(tǒng)和驅(qū)動該燃料電池系統(tǒng)的方法，包括通過連接至少一種保持工作狀態(tài)的分系統(tǒng)的動態(tài)功率調(diào)整低壓系統(tǒng)、起動系統(tǒng)和/或供電盤(Bordstromversorgung)。
例如，由EP 0677411B1已知一種包括多個燃料電池組件的燃料電池系統(tǒng)。該文獻提出根據(jù)結(jié)構(gòu)將燃料電池模塊(modul)劃分成多個組件，因為要么是所需單個電池的數(shù)量超過固定燃料電池系統(tǒng)的組件，要么是運輸工具中驅(qū)動單元的重量要求分成兩個組件。
已知的燃料電池系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)幾乎不可能適應(yīng)動態(tài)功率，例如在檢修過程中，因為它們僅能通過較高的工作壓力、較高的反應(yīng)氣體濃度等呈現(xiàn)連續(xù)的功率增大。此外，具有燃料電池系統(tǒng)的已知系統(tǒng)的不足是例如對于固定燃料電池系統(tǒng)的夏季工作和/或夜間工作、對于供電盤或作為動系統(tǒng)動態(tài)工作的備件既不能提供低壓機組也不能提供附件。
因此，本發(fā)明的目的是提供一種燃料電池系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠提供動態(tài)功率匹配和/或具有低電壓附件。
本發(fā)明的另一目的是提供一種驅(qū)動這一系統(tǒng)的方法。
本發(fā)明的主題涉及一種燃料電池系統(tǒng)，它包括至少兩個分開的可驅(qū)動的分系統(tǒng)。
本發(fā)明的另一主題涉及一種驅(qū)動燃料電池系統(tǒng)的方法，其中至少兩個分系統(tǒng)是可分開驅(qū)動的。
根據(jù)系統(tǒng)的一優(yōu)選實施方案，系統(tǒng)具有分開的電壓調(diào)節(jié)和/或電功率(Leistungselektronik)。
根據(jù)系統(tǒng)的一優(yōu)選實施方案，分系統(tǒng)是電串聯(lián)連接的，以使系統(tǒng)的電壓數(shù)值達到最大，約在小的分系統(tǒng)中，具有許多電池，但電極的面積較小(也稱為“帶狀電池”，特征在于燃料電池單元的電池平面形成不同電位)。在起動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)中，應(yīng)考慮到這種關(guān)系。為了使電流達到最大，將電壓相同的分系統(tǒng)(例如通過帶狀電池串聯(lián)連接)以并聯(lián)連接。對此，應(yīng)確保與負荷無關(guān)的驅(qū)動電機所需的電壓。
根據(jù)本發(fā)明一優(yōu)選的實施方案，系統(tǒng)的至少一個分系統(tǒng)包括至少一個高溫-聚合物-電解質(zhì)-膜(HTM)-燃料電池和/或聚合物-電解質(zhì)-膜(PEM)燃料電池。
“分系統(tǒng)”是指具有至少一個燃料電池單元的堆積體或組件。既可將多個分系統(tǒng)安裝在同一殼體中，也可將其分裝在分開的殼體中。例如兩個分系統(tǒng)可以分開，即獨立地活化、驅(qū)動、控制和調(diào)節(jié)。每一分系統(tǒng)提供了總的工作電壓，此外，只有一個分系統(tǒng)被用作低壓機組。分系統(tǒng)的獨立性既包括短時的元件，也包括驅(qū)動元件，即分系統(tǒng)可以依次地運行并且以不同的工作方式和第二個同時運行。同時包括兩種方案的組合，其中一個分系統(tǒng)遲起動并且是在另一個工作條件下運行的。
例如，一個系統(tǒng)包括具有下列功率分配的3個分系統(tǒng)10kW、20kW和再一個20kW。20kW組塊足以在測量的電壓值下起動，然后需要時，接通另一個組塊以使動態(tài)功率增大。每一分系統(tǒng)提供全起動電壓和/或工作電壓。
根據(jù)另一實施例，并聯(lián)和/或串聯(lián)的組件是這樣工作的在該實施例中，燃料電池系統(tǒng)包括3個分開的組件，這些組件可以串聯(lián)連接和/或并聯(lián)連接組件1的作用是穩(wěn)定地供電并具有低的工作電壓(電極的數(shù)量)和平均的電流功率(電極面積)，組件2具有的電極(電壓)數(shù)量較多并且同樣具有平均的電流功率，最后一個組件3在較高的電流功率下具有滿工作電壓，當(dāng)然能持續(xù)較長的時間，直到達到工作溫度。當(dāng)組件1和2串聯(lián)連接時，這樣它們也能提供滿工作電壓，即起動系統(tǒng)所需的電壓，例如與組件3的電壓相當(dāng)，盡管它們不提供系統(tǒng)的輸出功率(與電流/電極面積有關(guān))，但是它們可以快速地運行加熱和隨時可供使用。串聯(lián)連接的組件1和2接通可以起動運輸工具并且組件3不久進入運行加熱，進行工作，組件1和2關(guān)閉或例如在檢修過程中又被接通，如果所有的3個組件不能提供工作所需的全部總功率的話組件1可以分開使用供電盤。在高速公路上運行時，彼此間串聯(lián)連接的組件1和2甚至與組件3并聯(lián)連接，其中可使用產(chǎn)生電流和驅(qū)動運輸工具的3個分開組件的總電極面積。
根據(jù)另一實施例，系統(tǒng)包括10個分系統(tǒng)，每一分系統(tǒng)的功率為5kW。在這種情況下，維護/修理相當(dāng)簡便，因為單個系統(tǒng)較小并且在損壞/維修時易于更換。
根據(jù)需要，可連接的分系統(tǒng)包括常規(guī)的燃料電池(大面積、高安培燃料電池)或帶狀電池(小面積、串聯(lián)時具有高電壓數(shù)值)，其中既需要較高的電壓，又需要較高的電流。
根據(jù)本發(fā)明，分系統(tǒng)可以相同或不同。就功率、尺寸、材料、輸出和/或燃料電池的種類而言，它們特別可以相同或不同，例如常規(guī)燃料電池(在基板上具有均勻的電位)和/或帶狀電池(在基板上具有不同的電位)；PEM、HTM燃料電池、PAFC(磷酸燃料電池)燃料電池、MCFC(熔融碳酸鹽燃料電池)、DMFC(直接甲醇燃料電池)和/或SOFC(固態(tài)氧化物燃料電池)。
如果要求使分系統(tǒng)并聯(lián)連接/分系統(tǒng)的電流功率達到最佳并且使分系統(tǒng)的差別較大，那么優(yōu)選采用帶狀電池，這時，電池的電面積縮小。
“分別可驅(qū)動的”是指分系統(tǒng)是獨立的，即分開被活化的并可保持運行。分系統(tǒng)例如可通過冷卻、工藝氣體供入和/或電活化。這時，分系統(tǒng)例如通過其廢氣而被預(yù)熱。
由同一申請人同時申請的名稱相同的申請已知HTM燃料電池，該申請的全部內(nèi)容引入本文。
HTM-(高溫-聚合物-電解質(zhì)-膜)燃料電池也稱為HTM燃料電池單元，包括下列部件-膜和/或基質(zhì)，-包含化學(xué)和/或物理結(jié)合的固有離解和/或自動質(zhì)子傳遞的電解質(zhì)-兩個固定在膜和/或基質(zhì)的相對兩側(cè)的電極-與至少一個電極相鄰的反應(yīng)室，該反應(yīng)室的四周被極板和/或一個對應(yīng)的邊界結(jié)構(gòu)所密封，其中設(shè)有可將工藝氣體輸入反應(yīng)室和從反應(yīng)室排出的裝置，-其中HTM燃料電池構(gòu)件的設(shè)置要使得長期保存時的低壓不超過約0.3巴，溫度不高于300℃。
根據(jù)方法的一優(yōu)選實施方案，燃料電池系統(tǒng)是以一連續(xù)和間歇的組合方式工作的，即在工作期間，對功率峰值，至少可迅速地接通一個其他的分系統(tǒng)，以便在移動和固定系統(tǒng)中使用系統(tǒng)時具有良好的動態(tài)功率。
為了易于冷起動，根據(jù)一實施方案，在持續(xù)的工作中提供至少一個小的分系統(tǒng)，例如低壓系統(tǒng)作為加熱源，這個分系統(tǒng)或者保持在工作溫度下，或者保持在高于電解質(zhì)結(jié)晶點的另一溫度下(例如高于40℃)，然后在這樣的溫度下加熱剩余的用于起動的分系統(tǒng)。在方法的實施方案中，其中一個分系統(tǒng)持續(xù)地工作，這個分系統(tǒng)至少在為獲得最低溫度(例如對于自熱起動過程)的靜止期間優(yōu)選是在以最大熱效率進行工作的。在燃料電池系統(tǒng)斷路時稱作靜止期。
根據(jù)需要，通過調(diào)節(jié)電池的電壓使分系統(tǒng)的效率向較高電流或較高熱效率方向調(diào)節(jié)。因而，也可通過調(diào)節(jié)裝置根據(jù)預(yù)定的規(guī)則系統(tǒng)在一些測試數(shù)據(jù)和/或所需電流效率、熱效率和/或運行要求等的情況下進行調(diào)節(jié)。為了獲得更高的熱效率，調(diào)節(jié)的目的例如是為了保持工作溫度。
在方法的一個實施方案中，雖然“起動系統(tǒng)”不是連續(xù)工作的，但是在冷起動時首先僅在有限的小分系統(tǒng)中加熱，或者通過絕緣、潛熱儲存器和/或加熱使分系統(tǒng)溫度達到高于電解質(zhì)結(jié)晶點的溫度，以便自熱加熱起動系統(tǒng)。如果提供一種組合系統(tǒng)PEM/HTM，其中PEM系統(tǒng)是起動系統(tǒng)，則是有利的，因為PEM系統(tǒng)已經(jīng)可以在高于0℃的溫度下自熱起動，而具有Broenstedt酸例如磷酸作為電解質(zhì)的HTM系統(tǒng)則在高于40℃的溫度下才可自熱起動。也可額外地配備一個儲能器例如蓄電池以用于穩(wěn)定運行。
作為“起動系統(tǒng)”是部分負荷工作的分系統(tǒng)，在高負荷工作的過程中(接通其他的分系統(tǒng))和/或在滿負荷工作的過程中，不僅通過廢熱，而且也可通過電功率的輸出加熱其他的分系統(tǒng)，然后可以連通下一個分系統(tǒng)。
根據(jù)一優(yōu)選的實施方案，可以配備一額外的與起動系統(tǒng)無關(guān)的儲能器，例如蓄電池，例如在移動應(yīng)用中向工作單元提供起動用的能量并至少運行3-5分鐘。
例如可以使用諸如用作低壓系統(tǒng)或起動系統(tǒng)的小分系統(tǒng)的廢熱加熱住宅或旅客艙室。
根據(jù)燃料電池系統(tǒng)和驅(qū)動方法的一優(yōu)選實施方案，提供了一模數(shù)(modulare)的介質(zhì)處理系統(tǒng)，以使該系統(tǒng)的四周例如燃料電池組件、轉(zhuǎn)換器(Reformer)、壓縮機(鼓風(fēng)機)和風(fēng)扇分別處于最佳的作用范圍內(nèi)工作。因而組件周邊的機組可以存在于具有小單元的多個模塊中，以便例如在燃料電池組件的部分負荷工作時，轉(zhuǎn)換器模塊是在多次滿負荷下工作，其中，每一裝置是在理想的作用范圍內(nèi)以最佳利用燃料的情況下運行。
在電牽引中使用的燃料電池系統(tǒng)中的HTM或PEM燃料電池系統(tǒng)的平均尺寸例如在電牽引時包括300個燃料電池單元。
起動系統(tǒng)提供起動所需的電壓，例如100-500V，優(yōu)選200V，此時，功率達到1-35kW，優(yōu)選在10-20kW范圍內(nèi)。根據(jù)一實施方案，起動系統(tǒng)至少包括部分帶狀電池，以便在較小的空間中可產(chǎn)生所需的電壓值。
用于低壓供電板(例如42V網(wǎng)板)的系統(tǒng)例如包括20-60個燃料電池單元并且具有的最大功率約為1-10kW。
在起動時和/或在保持在工作溫度下的靜止期(保持負荷)和/或在低負荷(空轉(zhuǎn))的工作期間，冷卻的串聯(lián)連接是有意義的，以使分系統(tǒng)的冷卻可用作其他分系統(tǒng)的熱源。如果在氣動時將多個組件串聯(lián)連接，那么也是有利的，以使第一個組件的廢氣可加熱最靠近的下一個組件。在多組件系統(tǒng)的單組件工作的情況下，組件的串聯(lián)連接也是有利的，因為是由工作組件的廢氣的熱量維持直接處于靜止?fàn)顟B(tài)的組件的工作溫度。
優(yōu)選地是配備一個冷卻空氣和/或反應(yīng)空氣用的空氣過濾器。
根據(jù)系統(tǒng)的一實施方案，由HTM燃料電池構(gòu)成的至少兩個分系統(tǒng)。在該實施方案中，兩個分系統(tǒng)的冷卻優(yōu)選在驅(qū)動加熱的狀況下并聯(lián)連接，這是因為兩個分系統(tǒng)具有工作溫度。
工作溫度類似或相同的分系統(tǒng)在標(biāo)準的工作狀態(tài)下優(yōu)選是冷卻并聯(lián)的。
在低于120℃的溫度下和/或由于需保持的發(fā)射極限值，在配有轉(zhuǎn)換器的HTM分系統(tǒng)中，優(yōu)選純化氣體，以便釋放工藝氣體中的CO或降低其余氣體中的CO含量。
根據(jù)系統(tǒng)的一實施方案，包括至少一個HTM燃料電池的至少一個分系統(tǒng)和至少一個聚合物-電解質(zhì)-膜(PEM)燃料電池的一個分系統(tǒng)。
在該實施方案中，在驅(qū)動加熱狀態(tài)下，兩個分系統(tǒng)的冷卻是串聯(lián)連接的，因為由PEM燃料電池分系統(tǒng)加熱的冷卻介質(zhì)總是足夠的冷，以便冷卻具有HTM燃料電池的分系統(tǒng)，其中，該燃料電池是在很高的溫度下工作的。
同樣，在至少一種PEM燃料電池系統(tǒng)與一種HTM燃料電池系統(tǒng)組合時，提供由兩部分組成的冷卻系統(tǒng)，即一個低溫冷卻循環(huán)系統(tǒng)和一個高溫冷卻循環(huán)系統(tǒng)。在PEM燃料電池系統(tǒng)中，提供例如透氫阻擋膜形式的CO氣體純化裝置。
這種組合系統(tǒng)特別適用于有供電板系統(tǒng)，其中PEM分系統(tǒng)優(yōu)選用于低壓供電板。
根據(jù)方法的一優(yōu)選實施方案，在靜止期通過加熱而對燃料電池系統(tǒng)進行干燥，即例如在短時間工作時，當(dāng)靜止期和/或負載期短時，基本上使組件的溫度保持在水的沸點溫度以上。這可以在靜止期例如通過調(diào)節(jié)達到保持負荷。優(yōu)選是調(diào)節(jié)保持負荷，以適合于不同情況，燃料電池系統(tǒng)是切斷3周還是切斷3小時。
根據(jù)方法的另一實施方案，或通過加熱配合進行干燥，或單獨進行，在切斷系統(tǒng)時，有工藝氣體和/或惰性氣體的系統(tǒng)至少吹過和/或干吹一個分系統(tǒng)和/或冷卻系統(tǒng)，以便在起動時，系統(tǒng)盡可能地?zé)o水存在和/或冷卻系統(tǒng)盡可能地放空。冷卻系統(tǒng)的放空完全是獨立的，與通過干吹組件的干燥無關(guān)。
在干吹時，對逸出的工藝氣體和/或惰性氣體流出的水含量進行的檢測表明當(dāng)電池/組件干燥時鼓風(fēng)機或壓縮機可以關(guān)掉。因此，優(yōu)選地是，通過調(diào)節(jié)機制停止、關(guān)閉吹干用的空氣并且在出現(xiàn)空氣潮潤前密封組件。
根據(jù)方法的另一種實施方案，在靜止期，外部儲存的冷卻介質(zhì)可以在起動時和/或起動前從外部例如通過為此配置的系統(tǒng)的組件、通過廢熱利用和/或通過潛熱貯存器加熱并作為熱介質(zhì)輸送到需起動的分系統(tǒng)的冷卻系統(tǒng)中。
為此而需要的鼓風(fēng)機可以是壓縮機并且例如由該燃料電池系統(tǒng)的分系統(tǒng)和/或一個燃料電池系統(tǒng)的其它分系統(tǒng)和/或通過外部貯能器，尤其是電能供給功率。
可以配置燃料電池系統(tǒng)的分系統(tǒng)供應(yīng)起動電流，例如如工藝氣體預(yù)熱的熱源一樣的供給單元、壓縮機、轉(zhuǎn)換器、鼓風(fēng)機等。
作為燃料電池系統(tǒng)被稱為總?cè)剂想姵叵到y(tǒng)，該系統(tǒng)至少兩個分系統(tǒng)、或構(gòu)成兩個分開的組件，或組裝在一個殼體中。分系統(tǒng)各自具有至少一個燃料電池單元、其相應(yīng)的工藝氣體輸入通道和工藝氣體排出通道、端板、帶冷卻劑的冷卻系統(tǒng)和總的燃料電池組件的周邊的(轉(zhuǎn)換器、壓縮機、鼓風(fēng)機、工藝氣體預(yù)熱的熱源等。)。
由至少一個燃料電池單元和與此有關(guān)的電路和冷卻系統(tǒng)的至少一個部件的堆積體稱作組件。
燃料電池單元包括至少一個具有化學(xué)和/或物理結(jié)合電解質(zhì)的膜和/或基質(zhì)、兩個位于膜和/或基質(zhì)兩個相對側(cè)的電極、與至少一個電極相鄰的反應(yīng)室、反應(yīng)室通過各個極板和/或相應(yīng)的周邊結(jié)構(gòu)與環(huán)境隔開，其中提供了一種裝置，借助該裝置可以將工藝氣體輸入和排出反應(yīng)室。
根據(jù)本發(fā)明，燃料電池系統(tǒng)例如是一個不同的并且在任何條件下，提供系統(tǒng)可動態(tài)適應(yīng)的功率輸出。此外，僅在加速條件下，可配備接通的分系統(tǒng)，使該分系統(tǒng)在其靜止期內(nèi)通過正在工作的另一分系統(tǒng)的冷卻循環(huán)、通過潛熱貯存器或其他的類似裝置(熱源、絕緣、保持負荷)而總是保持在工作溫度下?？焖偌訜酜FZ中的冷卻水的潛熱貯存器是已知的。貯存介質(zhì)采用的是所謂的“相轉(zhuǎn)變材料”例如氫氧化鋇等。熱的吸收或釋放是通過材料的熔融或結(jié)晶而進行的。
通過該系統(tǒng)首次公開的其他可能性是將分系統(tǒng)用作“低壓機組”或“起動系統(tǒng)”用于夏季或夜間工作、用于起動和/或用于供電板(持續(xù)的電流加熱、空調(diào)設(shè)備、加熱器、無線電等)作為APU(輔助電源)。這種分系統(tǒng)工作時的額定功率低，例如為1-50kW(相當(dāng)于整個系統(tǒng)額定功率的約5-20％)。這種起動系統(tǒng)與低壓機組根據(jù)本性的區(qū)別是所具有的電壓值，因為起動系統(tǒng)供應(yīng)驅(qū)動運輸工具所需的電壓。
權(quán)利要求
1.燃料電池系統(tǒng)包括至少兩個可分別驅(qū)動的分系統(tǒng)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的燃料電池系統(tǒng)，其中分系統(tǒng)是不同的。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2任一項的燃料電池系統(tǒng)，其中分系統(tǒng)具有各自的電壓調(diào)節(jié)和/或電功率。
4.根據(jù)上述權(quán)利要求任一項的燃料電池系統(tǒng)，其中至少兩個分系統(tǒng)是電并聯(lián)的。
5.根據(jù)上述權(quán)利要求任一項的燃料電池系統(tǒng)，其中系統(tǒng)的至少一個分系統(tǒng)包括至少一個高溫-聚合物-電解質(zhì)-膜(HTM)燃料電池單元、一個帶狀電池和/或一個聚合物-電解質(zhì)-膜(PEM)燃料電池單元。
6.根據(jù)上述權(quán)利要求任一項的燃料電池系統(tǒng)，包括至少一個起動系統(tǒng)和/或低壓機組。
7.根據(jù)權(quán)利要求6的燃料電池系統(tǒng)，其中起動系統(tǒng)包括至少一個PEM燃料電池單元。
8.根據(jù)上述權(quán)利要求任一項的燃料電池系統(tǒng)，包括至少兩個具有兩個冷卻循環(huán)的分系統(tǒng)，它可以串聯(lián)連接和/或并聯(lián)連接。
9.根據(jù)上述權(quán)利要求任一項的燃料電池系統(tǒng)，其中配備有另外貯能器，例如蓄電池。
10.驅(qū)動燃料電池系統(tǒng)的方法，其中至少兩個分系統(tǒng)是分開活化和/或驅(qū)動。
11.根據(jù)權(quán)利要求10的方法，以連續(xù)和間歇運行方式進行組合。
12.根據(jù)權(quán)利要求10或11任一項的方法，其中采用至少一個起動系統(tǒng)開始冷起動燃料電池系統(tǒng)。
13.根據(jù)權(quán)利要求10-12任一項的方法，采用一種模數(shù)的介質(zhì)處理方式以確保燃料的理想利用。
14.根據(jù)權(quán)利要求10-13任一項的方法，其中在靜止期，至少一個低壓分系統(tǒng)和/或小電流分系統(tǒng)是保持在負荷下進行工作的。
15.根據(jù)權(quán)利要求10-14任一項的方法，其中在起動和/或在保持負荷的靜止期和/或在低負荷的工作期，組件的冷卻是串聯(lián)接通的。
16.根據(jù)權(quán)利要求10-15任一項的方法，其中燃料電池系統(tǒng)在靜止期通過加熱和/或干吹進行干燥并且在空氣潮濕前通過閥/活門進行密封。
17.根據(jù)權(quán)利要求10-15任一項的方法，其中通過調(diào)節(jié)電池電壓使分系統(tǒng)效率向更高電壓或更高熱效率方向調(diào)節(jié)。
全文摘要
本發(fā)明涉及燃料電池系統(tǒng)和驅(qū)動該燃料電池系統(tǒng)的方法,包括通過連接至少一種保持工作狀態(tài)的分系統(tǒng)、起動系統(tǒng)和/或夜間工作用低壓單元和/或供電板而進行動態(tài)功率調(diào)整。
文檔編號H01M8/00GK1384984SQ00811229
公開日2002年12月11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)明者曼弗雷德·巴爾多夫, 里特馬·馮赫爾莫爾特, 曼弗雷德·波平格, 喬基姆·格羅斯, 曼弗雷德·韋達斯, 阿明·達茨, 烏爾里克·格布哈特, 康拉德·芒德, 米克·賴齊格, 羅爾夫·布魯克, 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