專利名稱：燃料電池裝置的制作方法
燃料電池裝置本發(fā)明涉及根據(jù)權(quán)利要求1的前序部分所述的一種燃料電池裝置。
技術(shù)背景燃料電池，特別是具有能傳導(dǎo)質(zhì)子的作為聚合物箔陽極和陰極之間的隔膜的這種燃料電池(PEM-燃料電池)，在陽極側(cè)利用 一種可燃?xì)怏w， 如氣態(tài)的氫或含氫的氣體混合物，如重整氣體進(jìn)行工作的。為了改善這種燃料電池的效率，已知的做法是將在輸出側(cè)離開燃 料電池的陽極側(cè)的剩余氣體，通過所謂的再循環(huán)措施或再循環(huán)線3各，再 在陽極輸入側(cè)再輸送給燃料電池。但由于燃料電池在工作中只消耗純的 燃料，通常是氫，所以燃料流的這種再循環(huán)就會(huì)引起燃料電池的陽極區(qū) 域中純?nèi)剂系臐舛仍诠ぷ鞯倪^程中降低。這是由于剩余氣體在上述循環(huán)回路中的積聚所決定的，這些剩余氣 體要么是來自于氣體燃料的供給，要么是通過從燃料電池的陰極側(cè)，即 從其被供以空氣的一側(cè)的擴(kuò)散而達(dá)到陽極側(cè)。這里，剩余氣體主要是氮 氣和水蒸汽。由于剩余氣體的逆向流動(dòng)、剩余氣體含量的增高和燃料電 池中純?nèi)剂铣煞值臏p少，燃料電池的電壓也下降。在氣體燃料消耗量很 高的情況下，對(duì)質(zhì)子交換隔膜(PEM-膜)的氣體輸送的動(dòng)力也逐漸減小。因此為了避免在燃料電池的陽極區(qū)域內(nèi)剩余氣體高度積聚，已知的流閥排放到周圍環(huán)境中，要么按另 一種實(shí)施方式依有規(guī)律的時(shí)間間隔通 過相應(yīng)地控制的閥將之4非;故。這種閥例如以1非出閥"的名稱而7>知。 發(fā)明的內(nèi)容因此本發(fā)明的目的在于，改進(jìn)開頭部分所述類型的燃料電池裝置。上述目的是通過權(quán)利要求1的特征得以實(shí)現(xiàn)。在從屬權(quán)利中說明了 本發(fā)明的一些有利的和適用的改進(jìn)。相應(yīng)地，本發(fā)明涉及一種燃料電池裝置，它具有燃料電池和由控制 單元控制的執(zhí)行元件，該執(zhí)行元件用于將剩余氣體從燃^H"電池的工作燃 料流中排出。依本發(fā)明，該燃料電池裝置的特征在于控制單元包括一 種考慮工作燃料流中的工作燃料濃度的控制裝置和/或調(diào)節(jié)裝置。該做法基于以下認(rèn)識(shí)在迄今常用的用于排出剩余氣體的方法中，持續(xù)地通過節(jié)流閘或者通過以有規(guī)律的時(shí)間間隔打開閥，不僅將燃料電 池的工作燃料流或燃料流中所不希望的剩余氣體部分在陽極側(cè)排出，而 且還不得不從陽極排出尚未轉(zhuǎn)化的燃料。剩余氣體的濃度越低，則燃料 的濃度就越高，這種燃料優(yōu)選是氫氣，從而由于這種未加以利用的燃料 被排出而造成的損失亦越大。這種認(rèn)知適用于兩個(gè)迄今已知的用于排出 剩余氣體的方法。在此基礎(chǔ)上，本發(fā)明提出只有當(dāng)工作燃料或燃料的濃度低于某個(gè) 預(yù)定值時(shí)，或者當(dāng)剩余氣體中的其它物質(zhì)的某種不希望的濃度超過一個(gè) 不允許的值時(shí)，才通過執(zhí)行元件從工作燃料流中排出剩余氣體。由此， 由不必要地從工作燃料流中排出或排掉剩余氣體，引起的燃料損失以提 高燃料電池的效率的方式被避免。為了求得燃料流中燃料的分壓或濃度，例如可以按第 一 個(gè)實(shí)施方式 設(shè)置工作燃料濃度或燃料濃度傳感器，該傳感器將相應(yīng)的信號(hào)傳遞給操縱執(zhí)行元件的控制單元。特別有利的，可為此使用燃料傳感器，該傳感 器具有特別對(duì)高燃料濃度的大的靈敏度，即，在該使用范圍內(nèi)它能提供良好的高分辨率的且準(zhǔn)確的信號(hào)。對(duì)于用氫氣工作的燃料電池來說，該 傳感器是一個(gè)相應(yīng)地敏感的氫傳感器。除了采用對(duì)工作燃料流中的燃料濃度進(jìn)行監(jiān)控，以達(dá)到觸發(fā)執(zhí)行元 件來排出剩余氣體的目的之外，還提出第二個(gè)解決方案，該方案可單獨(dú) 予以實(shí)施，亦可與第一個(gè)方案一起實(shí)施。于此，燃料流中氮的濃度是由 與控制單元相連的氮濃度傳感器加以監(jiān)視的。在超過氮的某個(gè)濃度值 時(shí)，控制單元如前所述地將剩余氣體從工作燃料流中排出。根據(jù)下一個(gè)實(shí)施方式，同樣可以單獨(dú)地，或者也可以結(jié)合上迷的一 個(gè)或兩個(gè)方案地，對(duì)燃料流中的水蒸汽的濃度進(jìn)行監(jiān)視；且在超過一定 的最大值時(shí)，執(zhí)行元件便被控制單元觸發(fā)而將剩余氣體排出。除了這種直接的濃度值監(jiān)視之外，本發(fā)明還提出 一種間接的監(jiān)視可 行方案，依此，設(shè)置了一個(gè)用于所輸送的工作燃料量的檢測(cè)機(jī)構(gòu)。為此， 例如引入工作燃料再循環(huán)裝置的重要的消耗功率參數(shù)。這里特別合適的 有電流檢測(cè)機(jī)構(gòu)、電壓檢測(cè)機(jī)構(gòu)和/或功率檢測(cè)機(jī)構(gòu)，例如相應(yīng)的變換器， 其信號(hào)被采集并可為采取相應(yīng)措施而被分析處理。再循環(huán)裝置例如可以是再循環(huán)壓縮機(jī)、再循環(huán)泵，等等。由于這些 裝置可以任意具有旋轉(zhuǎn)地操作的或平移地操作的部件，另 一種通過對(duì)相應(yīng)設(shè)置的傳感器如轉(zhuǎn)速測(cè)量器或升降頻率測(cè)量器的信號(hào)的分析處理來 檢測(cè)工作燃料流中燃料濃度的方案也是可行的。也可以考慮一種例如利 用 一種如葉輪計(jì)數(shù)器形式的流量計(jì)的體積流量探測(cè)。特別通過同已知功率消耗或者也與那些與 一定燃料劑濃度對(duì)應(yīng)的 及轉(zhuǎn)速、頻率或體積流量進(jìn)行比較，可明確地獲知燃料流中純?nèi)剂系臐?度，由此也可以通過經(jīng)控制單元來操縱執(zhí)行元件對(duì)從工作燃料流中排出 剩余氣體進(jìn)行準(zhǔn)確的干預(yù)。為了操縱執(zhí)行元件，按照控制單元的一種簡(jiǎn)單的實(shí)施方式，例如可 以設(shè)置一種基于時(shí)間的觸發(fā)。因此例如在超過或低于一定濃度極限值 后，引起所謂的"排出過程"，即通過執(zhí)行元件的打開以排出剩余氣體。 在經(jīng)過確定的可預(yù)定的時(shí)段之后，便又可結(jié)束該過程，必要時(shí)可重復(fù)進(jìn) 行該過程，直到所產(chǎn)生的雜質(zhì)氣體成分已再次減小到一個(gè)允許值為止， 或者直到燃料剛好具有 一個(gè)相應(yīng)高的純?nèi)剂蠞舛葹橹埂３诉@樣 一種結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單的控制裝置之外，根據(jù)一個(gè)價(jià)值較高的 實(shí)施方式，也可以設(shè)置用于操縱閥門的調(diào)節(jié)裝置。依此，控制單元例如 可以通過對(duì)執(zhí)行元件的開啟時(shí)間的改變，來調(diào)節(jié)通過執(zhí)行元件的剩余氣體流量。根據(jù)另一改進(jìn)的實(shí)施方式，也可以規(guī)定來改變執(zhí)行元件的有 效橫截面以對(duì)通過執(zhí)行元件的剩余氣體流量進(jìn)行干預(yù)。作為執(zhí)行元件， 例如在第一種情況下可以設(shè)置一個(gè)分配閥；在第二種情況下可以設(shè)置相 應(yīng)地觸發(fā)的比例閥，或者也可以設(shè)置調(diào)節(jié)閥。因此可以實(shí)現(xiàn)多種調(diào)節(jié)方 式，例如額定值可通過執(zhí)行元件的簡(jiǎn)單開啟來實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)或者根據(jù)陽極線 路中的壓力實(shí)現(xiàn)預(yù)控制的調(diào)節(jié)，以及通過疊加的調(diào)節(jié)等來實(shí)現(xiàn)精確的計(jì) 量等等。
具體實(shí)施方式
本發(fā)明將參照附圖
和下面有關(guān)說明來加以詳細(xì)闡述。依此，附圖為 燃料電池裝置的示意性的方框圖。根據(jù)附圖燃料電池裝置1因此包括燃料電池2以及，用于從陽極側(cè) 的燃料流中排出剩余氣體的執(zhí)行元件3，為此，該執(zhí)行元件根據(jù)一定的 工作參數(shù)由配有控制裝置和/或調(diào)節(jié)裝置4.1的控制單元4進(jìn)行操縱。工 作參數(shù)優(yōu)選可以是純?nèi)剂系臐舛戎祷蚱渌Ｓ鄽怏w成分，如氮?dú)饣蛩簟碉w。為了向燃料電池2供給燃料，為此例如燃料存儲(chǔ)器5通過閥6并沿供給方向然后通過壓力調(diào)節(jié)器7以及燃料計(jì)量單元8而與燃料供給管路 9相連接。如此所輸送的氣體燃料，優(yōu)選氫氣或含氬氣的氣體混合物， 如重整氣體，以處于相應(yīng)壓力下的體積流的形式經(jīng)過入口 10而流入到 燃料電池2的陽極側(cè)A。在燃料電池2工作時(shí)，只消耗一部分氫用于產(chǎn)生電能。所輸送的氣 體的未消耗的部分通過燃料電池2的陽極側(cè)的出口 ll又被排出。為了 避免高的氫損失，所述剩余氣體利用再循環(huán)裝置13，經(jīng)過再循環(huán)線路 12,在回饋點(diǎn)14重新被饋入到供給管路9中。為了將控制單元4連接到燃料電池裝置的各個(gè)單元上，以及為了實(shí) 現(xiàn)能源供給和必要時(shí)為了向其它控制單元和/或調(diào)節(jié)單元發(fā)出其它信號(hào)， 在附圖中示意地示出了兩個(gè)輸入和輸出區(qū)15、 16。特別是這兩個(gè)區(qū)包括 連接線，這些連接線用于將信號(hào)從探測(cè)單元17、 18、 19傳遞到控制單 元4,和從控制單元4傳遞到執(zhí)行元件3。第一探測(cè)單元例如是工作燃料濃度傳感器17,該傳感器在出口 11 上與再循環(huán)線路12連接。在本示例性的實(shí)施方式中，該傳感器是氫傳 感器，其在大的氫濃度的范圍內(nèi)具有高靈敏度，從而能夠提供一個(gè)盡可 能精細(xì)分辨的且準(zhǔn)確的用于控制單元4的主要出現(xiàn)的工作情況的信號(hào)。在剩余氣體中的純?nèi)剂系陀诳深A(yù)先給定的最小濃度值時(shí)，控制單元 4便經(jīng)過輸出區(qū)16傳遞信號(hào)用于操作執(zhí)行元件3，以便將一定量的剩余 氣體經(jīng)過所謂的"排出裝置，，從工作燃料流中排出。由此隨后便有濃度 較高的燃料流入到燃料電池的陽極區(qū)，因?yàn)樵撊剂想姵貎H僅經(jīng)過由燃料 存儲(chǔ)器5所供給的燃料計(jì)量單元被供給的。隨著燃料分壓力的升高，在 燃料電池2的在此未示出的電連接元件上的由燃料電池所感應(yīng)的電壓亦 升高。特別是在氣體燃料消耗很高的情況下，燃料電池的動(dòng)態(tài)性也會(huì)得 到明顯改善。用于對(duì)燃料流中降低的燃料濃度信號(hào)化的第二種可行方案是，設(shè)置 氮濃度傳感器18,該傳感器也是經(jīng)過輸入?yún)^(qū)15而與控制單元4相連的。 在超過一定的氮濃度時(shí)，(這例如可由于從燃料電池2的陰極側(cè)K到陽 極側(cè)A的擴(kuò)散所引起的)，可如前所述那樣同樣通過控制單元4操縱排 出閥3。用于基于工作燃料流中的不允許狀況操縱排泄閥3的另一可行方 案，例如是由通過相應(yīng)的濃度傳感器19來通告過高的水汽濃度實(shí)現(xiàn)。為明了起見，該水汽濃度傳感器19同時(shí)作為氮濃度傳感器18示出。但 為了實(shí)現(xiàn)這一目的，可以分別有選擇地或者只設(shè)置這兩個(gè)傳感器中的一 個(gè)，或者這兩個(gè)傳感器也可以單獨(dú)設(shè)計(jì)。但也可考慮具有兩個(gè)傳感器的 一種組合的實(shí)施方式，或者也可具有工作燃料濃度傳感器17。但也可以 將所有的三個(gè)傳感器組合起來。用于操縱排出閥3的另 一可行方案是，檢測(cè)工作燃料再循環(huán)裝置13 的重要的消耗功率的參數(shù)。根據(jù)優(yōu)選的實(shí)施方式，這種檢測(cè)機(jī)構(gòu)是一種 探測(cè)電流、電壓或功率的電的或電子的部件，該部件優(yōu)選安裝在控制單 元4中，從而不需要附加的信號(hào)線路。但這些部件當(dāng)然也可以分開設(shè)計(jì)。方案，也可以是，例如利用一個(gè)轉(zhuǎn)速計(jì)21對(duì)再循環(huán)裝置13的旋轉(zhuǎn)的元 件的轉(zhuǎn)速進(jìn)行檢測(cè)。通過相應(yīng)的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換提供給控制單元4的信號(hào)例如 可以是計(jì)算算法的輸入矢量，該輸入矢量與預(yù)設(shè)的參數(shù)系 (Parameterschar)相結(jié)合以用于實(shí)現(xiàn)對(duì)排出閥3的操縱。特別是通過得知與轉(zhuǎn)速計(jì)的不同轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)的燃料濃度和/或剩余氣 體中不希望的其它氣體成分的濃度，可以準(zhǔn)確確定剩余氣體的組成。通 過控制單元4對(duì)排出閥3的觸發(fā)或調(diào)節(jié)可以不同程度地取消。根據(jù)一種 簡(jiǎn)單的實(shí)施方式，在超過或低于一剩余氣體成分的臨界值的情況下，在 一定的時(shí)間內(nèi)， 一個(gè)設(shè)計(jì)成簡(jiǎn)單的分配閥的排出閥可以被觸發(fā)，隨后通 過該信號(hào)的反饋可再次關(guān)閉。為了實(shí)現(xiàn)更高要求的或更精細(xì)的計(jì)量，也 可設(shè)置如下調(diào)節(jié)裝置，其中控制單元4要么按不同級(jí)切換相應(yīng)設(shè)計(jì)的閥 3,要么必要時(shí)分級(jí)地或無級(jí)地調(diào)節(jié)該閥。通過這種實(shí)施方式，排出過 程的持續(xù)時(shí)間便可最佳地適配于燃料電池的相應(yīng)的工作狀態(tài)。
權(quán)利要求
1.一種燃料電池裝置(1)，具有燃料電池(2)和由控制單元(4)加以控制的執(zhí)行元件(3)，該執(zhí)行元件用來從所述燃料電池(2)的工作燃料流中排出剩余氣體，其特征在于所述控制單元(4)包括考慮到工作燃料流中工作燃料濃度的控制裝置和/或調(diào)節(jié)裝置(4.1)。
2. 按權(quán)利要求1所述的燃料電池裝置， 其特征在于設(shè)置工作燃料濃度傳感器(17)。
3. 按權(quán)利要求1或2所述的燃料電池裝置， 其特征在于所述工作燃料濃度傳感器(17, 18, 19)的優(yōu)選的工作范圍與所述 燃料電池的主要的工作燃料濃度范圍相 一 致。
4. 按以上權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的燃料電池裝置， 其特征在于設(shè)置氳濃度傳感器(17)。
5. 按以上權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的燃料電池裝置， 其特征在于設(shè)置氮濃度傳感器(18)。
6. 按以上權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的燃料電池裝置， 其特征在于設(shè)置水蒸汽濃度傳感器(19)。
7. 按以上權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的燃料電池裝置， 其特征在于設(shè)置用于所輸送的工作燃料量的檢測(cè)機(jī)構(gòu)(20)。
8. 按以上權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的燃料電池裝置， 其特征在于所述控制單元(4)按照所測(cè)量的濃度的額定值控發(fā)所述執(zhí)行元件 (3)。
9.按以上權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的燃料電池裝置， 其特征在于所述控制單元(4)通過對(duì)脈沖閥的周期時(shí)間和/或吹入時(shí)間的改變 和/或?qū)Ρ壤y(3)的閥行程的改變來調(diào)節(jié)剩余氣體的流量。 11.按以上權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的燃料電池裝置，其特征在于所述控制單元(4)通過對(duì)執(zhí)行元件(3)的有效橫截面或觸發(fā)時(shí)間 的改變來調(diào)節(jié)剩余氣體的流量。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種燃料電池裝置(1)，它具有燃料電池(2)和由控制單元操縱的執(zhí)行元件(3)，該執(zhí)行元件用于從燃料電池的工作燃料流中排出剩余氣體。本裝置的特征在于控制單元(4)包括考慮到工作燃料流中工作燃料濃度的控制裝置和/或調(diào)節(jié)裝置(4.1)。
文檔編號(hào)H01M8/04GK101405907SQ200780010273
公開日2009年4月8日 申請(qǐng)日期2007年3月20日 優(yōu)先權(quán)日2006年3月24日
發(fā)明者I·法耶, T·-H·阮-謝弗, U·格特維克 申請(qǐng)人:羅伯特·博世有限公司