專利名稱：具有配量單元的燃料電池設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種根據(jù)權(quán)利要求l的前述部分的帶有燃料電池單元的
燃料電池設(shè)備，其中設(shè)置有用于給至少一個電極的物質(zhì)量(Stoffmenge) 進行配量的配量單元。
背景技術(shù)：
在對于汽車、輪船或類似工具以及作為能量中心的備選的驅(qū)動概念 下，現(xiàn)今燃料電池支持的系統(tǒng)首先引起了強烈的關(guān)注。這種系統(tǒng)通常包 括PEM-燃料電池(PEM:質(zhì)子交換膜)，其經(jīng)常以氫氣和空氣作為栽 能體來驅(qū)動。此外，已經(jīng)使用有其它燃料電池系統(tǒng)，
一方面氫氣被罐裝，并且被儲存在汽車中。另一方面例如氫氣在前 置的重整器級中由燃料例如甲醇、甲烷、柴油根據(jù)需求直接"車載(onboard) "生產(chǎn)， 并被相應(yīng)地消耗。
因此在這種燃料電池系統(tǒng)中，大量的物質(zhì)流必須被靈活地并且仍然 非常精確地進行配量。這不僅適用于液態(tài)成分，例如水、燃料，并且也 適用于氣態(tài)介質(zhì)，例如空氣、氫氣或諸如此類。
為了減少由于泵或壓縮機的運行而引起的壓力波動，已知例如在物 質(zhì)線路中兩個被串聯(lián)的調(diào)節(jié)閥。然而相應(yīng)地被串聯(lián)的閥門不適合在較寬 的、需要的功率范圍內(nèi)對由燃料電池或燃料電池反應(yīng)堆所要求的物質(zhì)量 的動態(tài)變化進行配量，或者使陽極物質(zhì)流的壓力自動跟蹤陰極物質(zhì)流的 壓力。
在大量的燃料電池系統(tǒng)中，尤其是在PEM燃料電池中，仍然有必 要確保陽極壓力不斷匹配于陰極壓力，用于可靠地防止損傷相對對壓力 敏感的薄膜。相應(yīng)的壓力匹配應(yīng)該是盡可能地同時或幾乎同時的，即壓 力匹配應(yīng)該在大約200ms的時間內(nèi)進行。否則薄膜可能被不可逆地損 害。
汽車應(yīng)用以非常高的動力為特征，尤其是在超車過程中或諸如此類 時，在這種汽車應(yīng)用中，相應(yīng)的壓力匹配是要求非常高的。
在示例實施中，例如為了對燃料電池系統(tǒng)的氬氣進行定量，使用了被并聯(lián)的噴氣閥(Gaseinblasventil)，即所謂的氫氣注射器(Hydrogen Gaslnjector, HGI)。該噴氣閥通過電子控制器來控制，該電子控制器 測取陰極側(cè)和陽極側(cè)的壓力，從而盡管由于燃料電池的不斷消耗，在允 許的壓差內(nèi)在燃料電池反應(yīng)堆的陽極側(cè)上被調(diào)節(jié)出和陰極側(cè)上相同的 壓力等級。只要陽極側(cè)的壓力被保持為和陰極側(cè)上相同的水平，就自動 確保足夠的氫氣被供應(yīng)，因為這種消耗通過質(zhì)子穿越燃料電池薄膜在確 定的界限內(nèi)自動地匹配于要求的需求。然而此處不利的是必須有大約4至6個單個的噴氣閥，用于滿足 最大消耗量和系統(tǒng)必需的、對于例如約75kW的典型的燃料電池汽車應(yīng) 用的動力。在更高的功率時，需要相應(yīng)更多的噴氣閥。因此大量的噴氣 閥的控制是相對昂貴的。此外的缺點在于在最大物質(zhì)量或在完全打開的狀態(tài)下，相應(yīng)的噴 氣閥需要約IA的電流.這一方面導(dǎo)致了在多個閥門情況下，必須有相 應(yīng)昂貴的控制器，并且另一方面導(dǎo)致存在有相對高的配量的自身消耗， 或相對高的所謂寄生功率。本發(fā)明的任務(wù)和優(yōu)勢由此出發(fā)，本發(fā)明的任務(wù)在于，提供一種具有燃料電池單元的燃料 電池設(shè)備，其中設(shè)置有用于對至少一個電極的物質(zhì)量進行配量的配量單 元，并且其中所述配量單元包括至少兩個并聯(lián)連接的配量元件(16、 17)， 這種燃料電池設(shè)備簡化了對待配量的物質(zhì)量的控制，并且尤其實現(xiàn)了對 待配量的物質(zhì)量相對靈敏和/或相對快的控制，或者具有盡可能小的自身 消耗。尤其是這種系統(tǒng)必要時也是有診斷能力的，即在燃料電池反應(yīng)堆 中，對系統(tǒng)不利的或起有害作用的壓力比的形成能夠被識別為故障。由開頭所述類型的燃料電池設(shè)備，該任務(wù)通過權(quán)利要求l的特征來 完成。通過在從屬權(quán)利要求中提及的措施，實現(xiàn)本發(fā)明的有利實施和改 進方案。相應(yīng)地，根據(jù)本發(fā)明的燃料電池設(shè)備的特征在于第一配量元件被 構(gòu)造為用于控制第二配量元件的通流橫截面的控制元件。借助于本發(fā)明，尤其有利的是筒化了對待配量的物質(zhì)量的控制， 并且尤其可以用特別小的電能消耗或電功率來控制物質(zhì)量。這尤其可以 在待配量的物質(zhì)量的整個范圍上實現(xiàn)。與現(xiàn)有技術(shù)相比，這導(dǎo)致在根據(jù)
本發(fā)明進行配量時更有利地節(jié)省電能。
此外根據(jù)本發(fā)明，可以有利地充分使第一配量元件的待配量的物質(zhì) 量尤其精確地或者以較小的公差進行配量。因此借助于第一配量元件， 總的待配量的物質(zhì)量得以精確地控制。相應(yīng)地待配量的物質(zhì)量可以被精 確地調(diào)整。
有利的是，第一配量元件具有相對小的可通流的物質(zhì)量，而第二配 量元件具有相對大的的可通流的物質(zhì)量。為此，例如在本發(fā)明的變型方 案中，第一配量元件被加載比第二配量元件的壓力更小的壓力。由此可 以實現(xiàn)一種放大原理，從而燃料電池單元的物質(zhì)量可以不僅較快地、而 且能夠以相對較大的范圍進行配量。這正好在具有相對較高動力性的汽 車應(yīng)用中被認為是特別有利的。
此外可以考慮，除了根據(jù)本發(fā)明的控制和/或耦聯(lián)，還在第一配量元 件和第二配量元件之間設(shè)置電子控制和/或耦聯(lián)。例如電子控制單元可以
控制或改變第一和/或第二配量元件的通流橫截面，和/或使通流的或待 配量的物質(zhì)量匹配于燃料電池單元的需求。
有利的是，在第一配量元件和第二配量元件之間設(shè)置有用于耦聯(lián)至 少兩個配量元件的運行的氣動的耦合裝置。由此可以實現(xiàn)兩個通流橫截 面和由此兩個待配量的分物質(zhì)量的有利的相關(guān)性。對于氣動的耦合裝 置，特別有利的是為此所述控制不需要其他電能。
此外對于氣動的耦合裝置，另一方面的優(yōu)點在于對于通常為流 體、尤其是氣體的物質(zhì)，所述耦聯(lián)能夠以協(xié)同方式借助于待配量的物質(zhì) 或燃料實現(xiàn)。由此根據(jù)本發(fā)明的轉(zhuǎn)化既在結(jié)構(gòu)方面也在在控制技術(shù)方面 有利地被簡化了。
在本發(fā)明的優(yōu)選實施方式中，第一配量元件的最大通流橫截面比第 二配量元件的最大通流橫截面小了數(shù)倍。例如第一配量元件的最大通流 橫截面比第二配量元件的最大通流橫截面小了大約3、 10、 IOO或IOOO 倍。
借助于配量元件的不同大小的最大通流橫截面，可以正好或僅僅在 與配量元件的并聯(lián)連接的組合中尤其實現(xiàn)可以在待配量的體積物質(zhì)流 的大的范圍內(nèi)對于可配量的物質(zhì)量轉(zhuǎn)化非常高的動力。與現(xiàn)有技術(shù)相 比，首先在汽車應(yīng)用中這是更顯著的有點。
例如在高功率范圍內(nèi)或在最大體積物質(zhì)流范圍內(nèi)，燃料電池單元的
所需的需求基本上由具有相對較大的最大通流橫截面的第二配量元件 來滿足。必要時第一配量元件可以給燃料電池單元配量出額外的物質(zhì) 量。然而也可以考慮，在燃料電池單元的最大需求時，第一配量元件不 提供或提供很少量的待配量的物質(zhì)量。此外根據(jù)本發(fā)明可以實現(xiàn)可以在物質(zhì)量的特別大的范圍上轉(zhuǎn)化物 質(zhì)量的較精確的配量。例如較大的、可變的通流橫截面對于通流的物質(zhì) 量通常具有較大的公差。與此相反，較小的、可變的通流橫截面對于通 流的物質(zhì)量或體積流通常具有較小的公差。根據(jù)本發(fā)明，通過通流兩個配量元件的、被共同地供應(yīng)給燃料電池 單元的電極的物質(zhì)量的互相作用和/或相加，可以在整個范圍上忽略物質(zhì) 量或體積物質(zhì)流的總體較小的公差。借助于第一配量元件的小公差，可 以以有利的方式平衡第二配量元件的相對大的公差。相應(yīng)地，與現(xiàn)有技 術(shù)相比，配量的精確度在可配量的物質(zhì)量的整個范圍上，明顯地被改善在本發(fā)明的優(yōu)選的實施方式中，耦合裝置包括至少兩個用隔板相互隔開的壓力腔a例如該壓力腔是兩個配量元件所在的、平行的物質(zhì)支路(Stoffzweige)或線路的部分。有利的是隔板被構(gòu)造為可調(diào)節(jié)的，尤其是可推動的。由此可以例如 把一個壓力腔的壓力波動以有利的方式氣動地傳輸?shù)搅硪粋€壓力腔中。有利的是隔板被構(gòu)造為氣缸中的活塞或類似構(gòu)件。優(yōu)選隔板被構(gòu)造為特別柔韌和/或可膨脹的薄膜。借助于本發(fā)明的這 種變型方案，可以實現(xiàn)兩個配量元件的特別簡單和功能上的氣動耦聯(lián)。 優(yōu)選薄膜被構(gòu)造為至少可以垂直于薄膜面進行調(diào)節(jié)。在本發(fā)明的特別改進方案中，隔板的調(diào)節(jié)、尤其是垂直于隔板平面 或薄膜平面的調(diào)節(jié)，改變了配量元件之一的通流橫截面，尤其是第二配 量元件的通流橫截面。借助于該措施，可以以特別精巧的方式實現(xiàn)兩個 配量元件的氣動耦聯(lián)，并且尤其可以實現(xiàn)借助于第一配量元件來控制第 二配量元件的通流橫截面。有利的是設(shè)置有至少一個復(fù)位裝置，例如彈簧、重量塊或類似物， 其以有利的方式實現(xiàn)將隔板調(diào)節(jié)或復(fù)位到靜止?fàn)顟B(tài)下。由此確保了，例 如設(shè)定耦合裝置或配量單元的確定的初始狀態(tài)。例如在配量單元或耦合 裝置的初始狀態(tài)或靜止?fàn)顟B(tài)中，設(shè)定配量元件的完全閉合，優(yōu)選是第二
配量元件的完全閉合。優(yōu)選復(fù)位單元同相應(yīng)的配量元件或閥門的閥體尤 其機械地耦合或連接，從而閥體停在相應(yīng)的閥座上或者完全閉合相應(yīng)的 閥門的通流橫截面。
構(gòu)造為閥門的配量元件可以特別具有被構(gòu)造為錐形的、球狀的或類 形狀的閥體。另一方面也可以考慮一種膜片，其實現(xiàn)了通流橫截面的改 變。
有利的是，在一個配量元件中并且平行于另一個配量元件設(shè)置有至
少一個用于改變壓力的節(jié)流元件。由此以有利的方式確保在這個線路 中或在相應(yīng)的壓力腔中的壓力，可以被如此有利地建立或減小，使得配 量單元對給燃料電池單元配量的物質(zhì)量的整個范圍的有利匹配是可調(diào) 節(jié)的。為此尤其可以以有利的方式調(diào)節(jié)系統(tǒng)的動力和/或最大壓力值。
在本發(fā)明的有利的變型方案中，設(shè)置有至少一個用于控制第一和/ 或第二配量元件的控制單元.必要時可以轉(zhuǎn)化氣動的控制單元，其被構(gòu) 造為例如氣動的比較單元，用于陰極壓力和陽極壓力的比較。例如借助 于可變的調(diào)整元件，其不僅和燃料電池單元的陰極、而且和陽極氣動地 連接，實現(xiàn)陰極壓力和陽極壓力的比較和/或配量元件的控制。優(yōu)選設(shè)置 有用于控制配量元件的電子控制單元.
在本發(fā)明的優(yōu)選的改進方案中，設(shè)置有至少一個用于測取陰極壓力 的第一壓力傳感器和至少一個用于測取陽極壓力的第二壓力傳感器。優(yōu)
選壓力傳感器產(chǎn)生電信號，并且把該電信號傳送到電子比較單元和/或控 制單元。
也存在壓差傳感器，其測量AP-Pa-Pk,通過用于測取pa的壓力 傳感器和AP-傳感器，可以同樣有利地實現(xiàn)本發(fā)明。
有利的是，控制單元被構(gòu)造為用于比較陰極壓力和陽極壓力。 在本發(fā)明的特別的實施方式中，陰極壓力被構(gòu)造為控制單元的指令 變量。這意味著，陽極壓力根據(jù)陰極壓力被調(diào)整。陰極壓力被測量或根 據(jù)壓縮機尺寸和節(jié)流元件進行估計。該壓力被用作調(diào)節(jié)陽極壓力的額定值。
優(yōu)選至少第一配量元件被構(gòu)造為噴氣閥。在實踐中表明，恰恰是被 構(gòu)造為噴氣閥的第一配量元件證明是特別有效的，該第一配量元件優(yōu)選 有利地控制第二配量元件。
必要時節(jié)流元件被構(gòu)造為噴氣閥。優(yōu)選相應(yīng)被構(gòu)造為節(jié)流元件的噴
氣閥在不通電的狀態(tài)下處于打開。實施例在附圖中示出了本發(fā)明的實施例，并且根據(jù)附圖在下面對其進行詳 細說明。附圖詳細地示出

圖1 根據(jù)本發(fā)明的燃料電池設(shè)備的示意方框圖和圖2 根據(jù)本發(fā)明的第二個燃料電池設(shè)備的示意方框圖。在圖1中， 一方面給然料電池反應(yīng)堆1提供了用于陽極3的氫氣2，另一方面提供了用于陰極5的空氣4?？諝?借助于壓縮機6被壓縮，并且接著借助于加濕器7被用水濕潤，從而使得燃料電池反應(yīng)堆l的薄膜8—方面不會干燥，并且另一方面不會太潮濕。燃料電池反應(yīng)堆l具有出口 9，在其上設(shè)置有用于調(diào)節(jié)流出量或用 于產(chǎn)生滯止壓力的節(jié)流閥10。在燃料電池反應(yīng)堆1的陽極側(cè)上設(shè)置有閥 門11，其在正常運行時被閉合，并且例如用于沖洗陽極3時被打開。后 者尤其是用于沖洗積累在陽極側(cè)上的氮等.在該實施變型中，氫氣2被儲存在高壓罐12中，其可以借助于截止 閥13被關(guān)閉。例如氫氣2以350巴或700巴被儲存在高壓罐12中。替 代高壓罐12，罐12也可以被構(gòu)造為低壓罐，例如構(gòu)造為金屬氫化物存 儲器或者氫氣重整的中間存儲器等等。優(yōu)選設(shè)置有用于降低高壓罐12的存儲壓力的減壓器14。在氫氣2 的流動方向上，在減壓器14之后存在預(yù)壓Pv。從節(jié)點15開始，氫氣2 一方面被輸往第一配量元件16，而另一方面被輸往第二配量元件17。 配量元件16被構(gòu)造為例如帶有開/關(guān)功能的分配閥或所謂的HGI16(氫 氣注射器)。配量元件17被構(gòu)造為例如帶有閥體18、尤其是錐形閥體 18的閥17,所述閥體關(guān)閉或打開閥座19。兩個閥16和17被包括在結(jié)構(gòu)單元20中，該結(jié)構(gòu)單元被構(gòu)造為減壓 閥20。結(jié)構(gòu)單元20包括兩個被薄膜21隔開的腔Id和K2，在其中存在 相應(yīng)的壓力Pi和P2。薄膜21同閥體18機械地耦聯(lián)，從而薄膜21的偏 轉(zhuǎn)、尤其是垂直于薄膜面時，引起閥座19的調(diào)節(jié)或者閉合和/或打開。此外在腔Id中設(shè)置有彈簧22，其一方面壓向結(jié)構(gòu)單元20的殼體，
而另一方面壓向薄膜21。因此彈簧22使得閥17預(yù)緊，從而閥17在平 衡壓力時、即在p^p2時被關(guān)閉。薄膜21例如通過結(jié)構(gòu)單元20的兩個
半殼體的巻邊被可靠地并且盡可能壓力密封地固定。
在腔K2后的流動方向上設(shè)置有流出節(jié)流閥23 (Abstroemventil)。 在腔Id和流出節(jié)流閥23后的流動方向中設(shè)置有第二節(jié)點24，從而流動 線路25被連接成并聯(lián)于流動線路26。在流動線路25中，設(shè)置有配量元 件16、腔K2以及流出節(jié)流閥23，而在流動線路26中設(shè)置有閥17、彈 簧22和腔Kl配量元件16和流出節(jié)流閥23在流動線路25中串聯(lián)連接。 兩個流動線路25、 26通過兩個節(jié)點15、 24被確定。
此外在陰極線路或空氣線路中，設(shè)置有用于測取陰極壓力PK的壓 力傳感器27，而在陽極線路或氫氣線路中，設(shè)置有用于測取陽極壓力 Pa的侍感器28。借助于控制單元29或電子控制設(shè)備，兩個傳感器27、 28在控制技術(shù)上連接?？刂茊卧?9被構(gòu)造為用于比較兩個壓力Pk和
Pa的，其中PK被用作PA的指令變量。
此外，控制單元29在控制技術(shù)上與配量元件16或HGI 16連接， 從而配量元件16的通流橫截面或待配量的氫氣2的量被控制單元29控 制。通過HGI 16的待配量的氫氣2的量，在腔K2中的壓力p2被確定。 壓力p2的改變和/或壓力pi的改變引起薄膜21的相應(yīng)偏轉(zhuǎn)，從而閥座19 的閥17的通流橫截面發(fā)生改變，或通過HGI 16被控制。相應(yīng)地閥16 和閥17被氣動地耦聯(lián)。
在圖2中示出的實施例中，不同于在圖l中所示，設(shè)置有第二噴氣 閥30或第二HG130，來代替根據(jù)圖1的流出節(jié)流閥23。優(yōu)選根據(jù)圖2 的第二HGI30在不通電的狀態(tài)下是打開的，
有利的是控制單元29借助于指令變量PK如此地調(diào)節(jié)陽極壓力PA， 使得Pa基本上相當(dāng)于Pk。為此配量元件16或HGI16以有利的方式通 過相應(yīng)的壓力罐來控制。
HGI16的通流橫截面遠遠地小于閥座19或閥17的通流橫截面。基 于此，尤其是流過流動線路26的燃料流量明顯大于流過流動線路25的 燃料流量。
HGI 16的特征是對于流過流動線路25的物質(zhì)量的高精確度或良好 的配量性能，從而腔K2中的壓力p2可以被非常精確地調(diào)整。相應(yīng)地， 薄膜21的偏轉(zhuǎn)可以被精確的調(diào)整，由此流過流動線路26的相對大的氫
氣2的物質(zhì)量可以被相對精確地調(diào)整。此外，通過借助于流動線路25 的相對小的物質(zhì)量來觸發(fā)流動線路26的相對大的物質(zhì)量，這種布置或 結(jié)構(gòu)單元20起到放大器或倍增器(Multiplizierer )的作用。
當(dāng)腔Id和K2的壓差、即AP = P2-Pt等于彈性力除以薄膜有效面積 加上由于壓差A(yù)Pv -Pv-Pi而作用在閥體lS上的力時，薄膜21處于力 平衡。彈性力由彈簧22產(chǎn)生。
閥17被如此地設(shè)置，使得它在這種平衡狀態(tài)下被打開或正好打開， 并且根據(jù)釋放的閥門開口橫截面通過腔Id給燃料電池反應(yīng)堆1輸送氫 氣2'
腔K2由減壓器14通過HGI16被供給氫氣2，接著氬氣通過流出節(jié) 流閥23流往燃料電池反應(yīng)堆1的陽極側(cè)。通過對流出節(jié)流閥23有利地 確定尺寸或匹配/校準，可以通過HGI 16的觸發(fā)的脈沖比(Taktver-haeltnis)，即通過流入到腔K2中的量，至少在一定的限度內(nèi)調(diào)整腔K2 內(nèi)的壓力P2。 HGI16和流出節(jié)流閥23—起形成分壓線路，在該分壓線 路中，HGI 16和節(jié)流閥23之間的壓力P2、即在腔K2內(nèi)的壓力P2取決 于通流的氫氣量。
在平衡狀態(tài)下，于是根據(jù)上述關(guān)系也得出腔內(nèi)的壓力Pl這意 味著，通過脈沖比，壓力P!或陽極壓力PA發(fā)生改變，其中P，基本上相 當(dāng)于PA。控制單元29如此有利地編程，使得它尋求通過改變HGI 16 的脈沖比使壓力PA匹配于額定壓力PK,
接下來通過對平衡位置的故障進行描述來詳細說明調(diào)節(jié)特性。
情況A ) 陰極側(cè)的額定壓力Pk升高這時壓力Pi小于額定壓力 PK?？刂茊卧?9使HGI16較大地進行脈沖，使得P2升高。在腔K2中 更高的壓力P2下，薄膜21被如此偏移，使得閥體18打開或釋放更大的 截面。這時更多的氫氣2流入到腔Id內(nèi)并且Pi升高，直至再次調(diào)整到
平衡狀態(tài)為止，即直至Pi或PA-PK為止。
情況B ) 陰極側(cè)的額定壓力Pk降低這時壓力P!大于額定壓力 PK。控制單元29使HGI16較小地進行脈沖或完全閉合，使得P2降低。 通過腔K2內(nèi)的低壓力P2，薄膜21被如此地偏移，使得閥體18釋放更 小的開口橫截面或完全閉合。自此在腔Ki內(nèi)流入更少的氫氣2，并且Pt 降低，直至再次調(diào)整到平衡狀態(tài)為止。
情況C ) 被燃料電池反應(yīng)堆l消耗的氫氣量升高壓力Pi首先降
低，因為不再有足夠量的氫氣2通過閥16續(xù)流入，以滿足燃料電池反 應(yīng)堆1的消耗。通過腔Ki內(nèi)的低壓力Pn薄膜21被如此地偏移，使得 閥體18釋放更大的截面。這時更多氫氣2流入到腔內(nèi)，并且Pi升高， 直至再次調(diào)整到平衡狀態(tài)為止。該過程還被這樣地加速也按照上述情 況A)使HGI16進行脈沖，這使薄膜21移動到相同的方向。情況D ) 被燃料電池反應(yīng)堆1消耗的量降低壓力P,升高，因為 更多量的氫氣2通過閥17續(xù)流入，多于被燃料電池反應(yīng)堆1所消耗的 量。通過腔Id內(nèi)的更高的壓力P!,薄膜21被如此地偏移，使得閥體18 釋放更小的開口橫截面或完全閉合。這時更少量的或完全沒有氫氣2流 入到腔Ka內(nèi)，并且Pi降低，直至再次調(diào)整到平衡狀態(tài)為止。該過程還 被這樣地加速按照上述情況B )使HGI16減小脈沖或者HGI完全閉 合，這使薄膜21移動到相同的方向。情況E)被燃料電池反應(yīng)堆1所消耗的量處于通過HGI16而被吹 入的量的范圍內(nèi)壓差P2-P,小于彈性力，從而彈簧22關(guān)閉閥17或閥 座19。在閥17閉合時，這種調(diào)節(jié)還僅僅通過由控制單元29脈沖地觸發(fā) HGI16來進行，從而PA被調(diào)節(jié)到額定值PK。這意味著，流動線路26 被完全閉合，并且僅僅允許流動線路25流過氫氣2。情況F)被燃料電池反應(yīng)堆消耗的量等于零，例如在停止情況下 控制單元29沒有觸發(fā)HGI16,因此沒有氳氣續(xù)流到腔K2內(nèi)。通過節(jié)流 閥23，腔I^和K2內(nèi)的壓力Pt和P2平衡。這意味著，壓差P2-Pi等于 零，并且這時在薄膜21上只是彈簧22的彈性力起作用。這時該彈性力 關(guān)閉閥17并且保持其閉合，直至燃料電池反應(yīng)堆1再次需要氫氣2為 止。如果預(yù)壓Pv大于待調(diào)節(jié)的最大陽極壓力PA，原則上是有利的，所 述預(yù)壓Pv存在于減壓閥20或結(jié)構(gòu)單元20的出口上，并且不但在閥17 前、也在HGI16的進氣處。通常Pv處于大約4至15巴的范圍內(nèi)，并且 Pk或Pa大約在1至約3巴的范圍內(nèi)。閥座19的閥座面積應(yīng)該小于薄膜有效面積，它有利地應(yīng)該明顯更 小。尤其是通過閥17釋放的最大面積應(yīng)該足夠的大，從而在最小預(yù)壓 Pv和最大壓力時，可以在燃料電池反應(yīng)堆l中確保要求的最大消耗量和 必需的調(diào)節(jié)動力。流出節(jié)流閥23的截面應(yīng)該與由HGI16最大釋放的截面以有利的方
式如此地協(xié)調(diào)，使得HGI 16和節(jié)流閥23的分壓器線路通過HGI 16的 脈沖比可以有利地起動燃料電池反應(yīng)堆1中出現(xiàn)的整個壓力范圍。閥座19或閥體18可以具有任意的幾何形狀。例如可以是球閥座或 平閥座、縫隙式閥(Schlitzventil)和其他形式。薄膜21可以由任意的柔韌材料制成，它應(yīng)該符合抗壓強度、氣體 穩(wěn)定性和密封性的要求，例如金屬、塑料或塑料涂裝的織物。由于腔Kj 和K2兩側(cè)環(huán)流同樣的氣體，會有穿過薄膜材料的較大滲透，直至達到 流通噴氣閥16的質(zhì)量流的約1/10的數(shù)量級。替代進行脈沖的分配閥16或HGI16，也可以使用比例閥16或者具 有相應(yīng)小的質(zhì)量流的同樣的閥門。通常除了氫氣2，也可以使用其它的可燃氣體或流體。在相對大的 積極的或消極的焦耳-湯姆遜效應(yīng)中，有利的是在相對大的相應(yīng)溫度變 化時，在氣體膨脹時在腔IQ內(nèi)設(shè)置有利的散熱或?qū)?，正如例如借?于熱交換器或諸如此類以未詳細描述的方式實現(xiàn)的那樣?；旧?，根據(jù)本發(fā)明通過有針對性地供給氫氣2或類似物，陽極側(cè)的壓力PA通過作為指令變量的陰極側(cè)的壓力Pk來平衡。通過調(diào)整陽極側(cè)的壓力PA，尤其是在恒定的消耗情況下確保了燃料電池反應(yīng)堆1 總是被精確地供應(yīng)了所消耗那么多的物質(zhì)量.由根據(jù)本發(fā)明調(diào)整或者保 持恒定陽極側(cè)的壓力PA，定量也幾乎自動地進行。尤其根據(jù)本發(fā)明特別有利的是，正好對于具有高功率和高動力要求 的系統(tǒng)，僅帶有電子操控或控制的閥16的成本低的解決方案是必須的。 對控制器或控制單元29的要求在物質(zhì)量大時也保持不變.例如在上述 實施變型中，在僅僅使用HGI16時，需要最大1A的電流用于控制，這 與現(xiàn)有技術(shù)相比同樣大大地降低了成本。此外，例如在空轉(zhuǎn)或部分負荷范圍內(nèi)時的小量也能夠以與現(xiàn)有技術(shù) 相同的速度被吹入，因為通過HGI16此處產(chǎn)生直接的配量。此外，根據(jù)本發(fā)明所提出的系統(tǒng)是具有診斷能力的，因為通過壓力 PA和Pk的確定，在不利的偏差時可以馬上推斷出系統(tǒng)中的故障。優(yōu)選 配量元件16或HG1被構(gòu)造為在不通電的狀態(tài)中是閉合的，從而在故障 時，在系統(tǒng)組合中確保了高安全性。
權(quán)利要求
1.具有燃料電池單元(1)的燃料電池設(shè)備，其中設(shè)置有用于對至少一個電極(3，5)的物質(zhì)量進行配量的配量單元(6，16，17)，并且其中所述配量單元包括至少兩個并聯(lián)連接的配量元件(16，17)，其特征在于，所述第一配量元件(16)被構(gòu)造為用于控制第二配量元件(17)的通流橫截面的控制元件(16)。
2. 按照權(quán)利要求1所述的燃料電池設(shè)備，其特征在于，在所述第 一配量元件(16)和第二配量元件(17)之間設(shè)置有用于耦聯(lián)所述至少 兩個配量元件(16， 17)的運行的氣動的耦合裝置(21， Id, K2)。
3. 按照前述權(quán)利要求中任一項所述的燃料電池設(shè)備，其特征在 于，所述第一配量元件(16)的最大通流橫截面比第二配量元件(17) 的最大通流橫截面小了多倍。
4. 按照前述權(quán)利要求中任一項所述的燃料電池設(shè)備，其特征在 于，所述耦合裝置(21)包括至少兩個通過隔板(21)相互隔開的壓力 腔(K^， K2)。
5. 按照前述權(quán)利要求中任一項所述的燃料電池設(shè)備，其特征在 于，所述隔板(21)被構(gòu)造為薄膜(21)。
6. 按照前述權(quán)利要求中任一項所述的燃料電池設(shè)備，其特征在于， 所述隔板(21)的調(diào)節(jié)改變了第二配量元件(17)的通流橫截面。
7. 按照前述權(quán)利要求中任一項所述的燃料電池設(shè)備，其特征在于， 與所述配量元件之一 (16)串聯(lián)地并與另一個配量元件(17)并聯(lián)地設(shè) 置有至少一個用于改變壓力的節(jié)流元件(23， 30)。
8. 按照前述權(quán)利要求中任一項所述的燃料電池設(shè)備，其特征在于， 設(shè)置有用于控制所述第一配量元件(16)的控制單元(29)。
9. 按照前述權(quán)利要求中任一項所述的燃料電池設(shè)備，其特征在 于，設(shè)置有至少一個用于測取陰極壓力的笫一壓力傳感器(27)和至少 一個用于測取陽極壓力的第二壓力傳感器(28)。
10. 按照前述權(quán)利要求中任一項所述的燃料電池設(shè)備，其特征在 于，所述控制單元(29)被構(gòu)造用于比較所述陰極壓力和陽極壓力。
11. 按照前述權(quán)利要求中任一項所述的燃料電池設(shè)備，其特征在 于，所述陰極壓力被構(gòu)造為控制單元(29)的指令變量。
12.按照前述權(quán)利要求中任一項所述的燃料電池設(shè)備，其特征在 于，所述第一配量元件(16)被構(gòu)造為噴氣閥(16)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種帶有燃料電池單元(1)的燃料電池設(shè)備，其中設(shè)置有用于配量至少一個電極(3，5)的物質(zhì)量的配量單元，并且其中該配量單元包括至少兩個、被平行聯(lián)接的配量元件(16，17)，該燃料電池設(shè)備使得待配量的物質(zhì)量的控制簡化，并且尤其實現(xiàn)了待配量的物質(zhì)量的相對靈敏和/或相對快的控制，或具有盡可能小的自身消耗。同時該系統(tǒng)應(yīng)該是具有診斷能力的，即對系統(tǒng)有害的壓力比的形成應(yīng)該可以被識別。這根據(jù)本發(fā)明如此來實現(xiàn)第一配量元件(16)被構(gòu)造為用于控制第二配量元件(17)的通流橫截面的控制元件。
文檔編號H01M8/04GK101120475SQ200680004750
公開日2008年2月6日 申請日期2006年2月9日 優(yōu)先權(quán)日2005年2月11日
發(fā)明者U·戈特威克, W·斯特羅爾 申請人:羅伯特·博世有限公司