CN101120475A - 具有配量单元的燃料电池设备 - Google Patents
具有配量单元的燃料电池设备 Download PDFInfo
- Publication number
- CN101120475A CN101120475A CNA200680004750XA CN200680004750A CN101120475A CN 101120475 A CN101120475 A CN 101120475A CN A200680004750X A CNA200680004750X A CN A200680004750XA CN 200680004750 A CN200680004750 A CN 200680004750A CN 101120475 A CN101120475 A CN 101120475A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- fuel cell
- pressure
- dosage
- cell system
- dosage element
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
- 239000000446 fuel Substances 0.000 title claims abstract description 68
- 230000008878 coupling Effects 0.000 claims abstract description 22
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 claims abstract description 22
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 claims abstract description 22
- 230000008859 change Effects 0.000 claims description 5
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract description 4
- 210000004027 cell Anatomy 0.000 description 57
- 239000010408 film Substances 0.000 description 23
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 20
- 230000036647 reaction Effects 0.000 description 19
- YZCKVEUIGOORGS-OUBTZVSYSA-N Deuterium Chemical compound [2H] YZCKVEUIGOORGS-OUBTZVSYSA-N 0.000 description 18
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 17
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 description 16
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 description 16
- 239000000463 material Substances 0.000 description 11
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 7
- 230000002349 favourable effect Effects 0.000 description 6
- 230000001105 regulatory effect Effects 0.000 description 5
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 4
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 4
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 4
- OKKJLVBELUTLKV-UHFFFAOYSA-N Methanol Chemical compound OC OKKJLVBELUTLKV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 239000003638 chemical reducing agent Substances 0.000 description 3
- 230000006872 improvement Effects 0.000 description 3
- 229910052738 indium Inorganic materials 0.000 description 3
- 238000000034 method Methods 0.000 description 3
- 230000008569 process Effects 0.000 description 3
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 2
- 238000003745 diagnosis Methods 0.000 description 2
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 2
- 239000012530 fluid Substances 0.000 description 2
- VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N methane Chemical compound C VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 2
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 2
- 230000010355 oscillation Effects 0.000 description 2
- 239000004033 plastic Substances 0.000 description 2
- 229920003023 plastic Polymers 0.000 description 2
- 239000010409 thin film Substances 0.000 description 2
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000003321 amplification Effects 0.000 description 1
- 239000010405 anode material Substances 0.000 description 1
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 1
- 210000000170 cell membrane Anatomy 0.000 description 1
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 description 1
- 238000000576 coating method Methods 0.000 description 1
- 230000006835 compression Effects 0.000 description 1
- 238000007906 compression Methods 0.000 description 1
- 230000001143 conditioned effect Effects 0.000 description 1
- 230000001276 controlling effect Effects 0.000 description 1
- 239000012084 conversion product Substances 0.000 description 1
- 238000002788 crimping Methods 0.000 description 1
- 230000001419 dependent effect Effects 0.000 description 1
- 239000002283 diesel fuel Substances 0.000 description 1
- 239000004744 fabric Substances 0.000 description 1
- 238000011010 flushing procedure Methods 0.000 description 1
- 239000002737 fuel gas Substances 0.000 description 1
- 230000008595 infiltration Effects 0.000 description 1
- 238000001764 infiltration Methods 0.000 description 1
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 1
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 1
- 239000012528 membrane Substances 0.000 description 1
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 1
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052987 metal hydride Inorganic materials 0.000 description 1
- 150000004681 metal hydrides Chemical class 0.000 description 1
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000003199 nucleic acid amplification method Methods 0.000 description 1
- 230000003071 parasitic effect Effects 0.000 description 1
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 1
- 230000000717 retained effect Effects 0.000 description 1
- 238000007789 sealing Methods 0.000 description 1
- 230000006641 stabilisation Effects 0.000 description 1
- 238000011105 stabilization Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
- H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
- H01M8/04089—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants
- H01M8/04104—Regulation of differential pressures
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
- H01M2008/1095—Fuel cells with polymeric electrolytes
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/50—Fuel cells
Landscapes
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Sustainable Development (AREA)
- Sustainable Energy (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Electrochemistry (AREA)
- General Chemical & Material Sciences (AREA)
- Fuel Cell (AREA)
Abstract
本发明涉及一种带有燃料电池单元(1)的燃料电池设备,其中设置有用于配量至少一个电极(3,5)的物质量的配量单元,并且其中该配量单元包括至少两个、被平行联接的配量元件(16,17),该燃料电池设备使得待配量的物质量的控制简化,并且尤其实现了待配量的物质量的相对灵敏和/或相对快的控制,或具有尽可能小的自身消耗。同时该系统应该是具有诊断能力的,即对系统有害的压力比的形成应该可以被识别。这根据本发明如此来实现:第一配量元件(16)被构造为用于控制第二配量元件(17)的通流横截面的控制元件。
Description
技术领域
本发明涉及一种根据权利要求1的前述部分的带有燃料电池单元的燃料电池设备,其中设置有用于给至少一个电极的物质量(Stoffmenge)进行配量的配量单元。
背景技术
在对于汽车、轮船或类似工具以及作为能量中心的备选的驱动概念下,现今燃料电池支持的系统首先引起了强烈的关注。这种系统通常包括PEM-燃料电池(PEM:质子交换膜),其经常以氢气和空气作为载能体来驱动。此外,已经使用有其它燃料电池系统。
一方面氢气被罐装,并且被储存在汽车中。另一方面例如氢气在前置的重整器级中由燃料例如甲醇、甲烷、柴油根据需求直接“车载(on-board)”生产,并被相应地消耗。
因此在这种燃料电池系统中,大量的物质流必须被灵活地并且仍然非常精确地进行配量。这不仅适用于液态成分,例如水、燃料,并且也适用于气态介质,例如空气、氢气或诸如此类。
为了减少由于泵或压缩机的运行而引起的压力波动,已知例如在物质线路中两个被串联的调节阀。然而相应地被串联的阀门不适合在较宽的、需要的功率范围内对由燃料电池或燃料电池反应堆所要求的物质量的动态变化进行配量,或者使阳极物质流的压力自动跟踪阴极物质流的压力。
在大量的燃料电池系统中,尤其是在PEM燃料电池中,仍然有必要确保阳极压力不断匹配于阴极压力,用于可靠地防止损伤相对对压力敏感的薄膜。相应的压力匹配应该是尽可能地同时或几乎同时的,即压力匹配应该在大约200ms的时间内进行。否则薄膜可能被不可逆地损害。
汽车应用以非常高的动力为特征,尤其是在超车过程中或诸如此类时,在这种汽车应用中,相应的压力匹配是要求非常高的。
在示例实施中,例如为了对燃料电池系统的氢气进行定量,使用了被并联的喷气阀(Gaseinblasventil),即所谓的氢气注射器(HydrogenGas Iniector,HGI)。该喷气阀通过电子控制器来控制,该电子控制器测取阴极侧和阳极侧的压力,从而尽管由于燃料电池的不断消耗,在允许的压差内在燃料电池反应堆的阳极侧上被调节出和阴极侧上相同的压力等级。只要阳极侧的压力被保持为和阴极侧上相同的水平,就自动确保足够的氢气被供应,因为这种消耗通过质子穿越燃料电池薄膜在确定的界限内自动地匹配于要求的需求。
然而此处不利的是:必须有大约4至6个单个的喷气阀,用于满足最大消耗量和系统必需的、对于例如约75kW的典型的燃料电池汽车应用的动力。在更高的功率时,需要相应更多的喷气阀。因此大量的喷气阀的控制是相对昂贵的。
此外的缺点在于:在最大物质量或在完全打开的状态下,相应的喷气阀需要约1A的电流。这一方面导致了在多个阀门情况下,必须有相应昂贵的控制器,并且另一方面导致存在有相对高的配量的自身消耗,或相对高的所谓寄生功率。
本发明的任务和优势
由此出发,本发明的任务在于,提供一种具有燃料电池单元的燃料电池设备,其中设置有用于对至少一个电极的物质量进行配量的配量单元,并且其中所述配量单元包括至少两个并联连接的配量元件(16、17),这种燃料电池设备简化了对待配量的物质量的控制,并且尤其实现了对待配量的物质量相对灵敏和/或相对快的控制,或者具有尽可能小的自身消耗。尤其是这种系统必要时也是有诊断能力的,即在燃料电池反应堆中,对系统不利的或起有害作用的压力比的形成能够被识别为故障。
由开头所述类型的燃料电池设备,该任务通过权利要求1的特征来完成。通过在从属权利要求中提及的措施,实现本发明的有利实施和改进方案。
相应地,根据本发明的燃料电池设备的特征在于:第一配量元件被构造为用于控制第二配量元件的通流横截面的控制元件。
借助于本发明,尤其有利的是:简化了对待配量的物质量的控制,并且尤其可以用特别小的电能消耗或电功率来控制物质量。这尤其可以在待配量的物质量的整个范围上实现。与现有技术相比,这导致在根据本发明进行配量时更有利地节省电能。
此外根据本发明,可以有利地充分使第一配量元件的待配量的物质量尤其精确地或者以较小的公差进行配量。因此借助于第一配量元件,总的待配量的物质量得以精确地控制。相应地待配量的物质量可以被精确地调整。
有利的是,第一配量元件具有相对小的可通流的物质量,而第二配量元件具有相对大的的可通流的物质量。为此,例如在本发明的变型方案中,第一配量元件被加载比第二配量元件的压力更小的压力。由此可以实现一种放大原理,从而燃料电池单元的物质量可以不仅较快地、而且能够以相对较大的范围进行配量。这正好在具有相对较高动力性的汽车应用中被认为是特别有利的。
此外可以考虑,除了根据本发明的控制和/或耦联,还在第一配量元件和第二配量元件之间设置电子控制和/或耦联。例如电子控制单元可以控制或改变第一和/或第二配量元件的通流横截面,和/或使通流的或待配量的物质量匹配于燃料电池单元的需求。
有利的是,在第一配量元件和第二配量元件之间设置有用于耦联至少两个配量元件的运行的气动的耦合装置。由此可以实现两个通流横截面和由此两个待配量的分物质量的有利的相关性。对于气动的耦合装置,特别有利的是为此所述控制不需要其他电能。
此外对于气动的耦合装置,另一方面的优点在于:对于通常为流体、尤其是气体的物质,所述耦联能够以协同方式借助于待配量的物质或燃料实现。由此根据本发明的转化既在结构方面也在在控制技术方面有利地被简化了。
在本发明的优选实施方式中,第一配量元件的最大通流横截面比第二配量元件的最大通流横截面小了数倍。例如第一配量元件的最大通流横截面比第二配量元件的最大通流横截面小了大约3、10、100或1000倍。
借助于配量元件的不同大小的最大通流横截面,可以正好或仅仅在与配量元件的并联连接的组合中尤其实现:可以在待配量的体积物质流的大的范围内对于可配量的物质量转化非常高的动力。与现有技术相比,首先在汽车应用中这是更显著的有点。
例如在高功率范围内或在最大体积物质流范围内,燃料电池单元的所需的需求基本上由具有相对较大的最大通流横截面的第二配量元件来满足。必要时第一配量元件可以给燃料电池单元配量出额外的物质量。然而也可以考虑,在燃料电池单元的最大需求时,第一配量元件不提供或提供很少量的待配量的物质量。
此外根据本发明可以实现:可以在物质量的特别大的范围上转化物质量的较精确的配量。例如较大的、可变的通流横截面对于通流的物质量通常具有较大的公差。与此相反,较小的、可变的通流横截面对于通流的物质量或体积流通常具有较小的公差。
根据本发明,通过通流两个配量元件的、被共同地供应给燃料电池单元的电极的物质量的互相作用和/或相加,可以在整个范围上忽略物质量或体积物质流的总体较小的公差。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对大的公差。相应地,与现有技术相比,配量的精确度在可配量的物质量的整个范围上,明显地被改善了。
在本发明的优选的实施方式中,耦合装置包括至少两个用隔板相互隔开的压力腔。例如该压力腔是两个配量元件所在的、平行的物质支路(Stoffzweige)或线路的部分。
有利的是隔板被构造为可调节的,尤其是可推动的。由此可以例如把一个压力腔的压力波动以有利的方式气动地传输到另一个压力腔中。有利的是隔板被构造为气缸中的活塞或类似构件。
优选隔板被构造为特别柔韧和/或可膨胀的薄膜。借助于本发明的这种变型方案,可以实现两个配量元件的特别简单和功能上的气动耦联。优选薄膜被构造为至少可以垂直于薄膜面进行调节。
在本发明的特别改进方案中,隔板的调节、尤其是垂直于隔板平面或薄膜平面的调节,改变了配量元件之一的通流横截面,尤其是第二配量元件的通流横截面。借助于该措施,可以以特别精巧的方式实现两个配量元件的气动耦联,并且尤其可以实现借助于第一配量元件来控制第二配量元件的通流横截面。
有利的是设置有至少一个复位装置,例如弹簧、重量块或类似物,其以有利的方式实现将隔板调节或复位到静止状态下。由此确保了,例如设定耦合装置或配量单元的确定的初始状态。例如在配量单元或耦合装置的初始状态或静止状态中,设定配量元件的完全闭合,优选是第二配量元件的完全闭合。优选复位单元同相应的配量元件或阀门的阀体尤其机械地耦合或连接,从而阀体停在相应的阀座上或者完全闭合相应的阀门的通流横截面。
构造为阀门的配量元件可以特别具有被构造为锥形的、球状的或类形状的阀体。另一方面也可以考虑一种膜片,其实现了通流横截面的改变。
有利的是,在一个配量元件中并且平行于另一个配量元件设置有至少一个用于改变压力的节流元件。由此以有利的方式确保:在这个线路中或在相应的压力腔中的压力,可以被如此有利地建立或减小,使得配量单元对给燃料电池单元配量的物质量的整个范围的有利匹配是可调节的。为此尤其可以以有利的方式调节系统的动力和/或最大压力值。
在本发明的有利的变型方案中,设置有至少一个用于控制第一和/或第二配量元件的控制单元。必要时可以转化气动的控制单元,其被构造为例如气动的比较单元,用于阴极压力和阳极压力的比较。例如借助于可变的调整元件,其不仅和燃料电池单元的阴极、而且和阳极气动地连接,实现阴极压力和阳极压力的比较和/或配量元件的控制。优选设置有用于控制配量元件的电子控制单元。
在本发明的优选的改进方案中,设置有至少一个用于测取阴极压力的第一压力传感器和至少一个用于测取阳极压力的第二压力传感器。优选压力传感器产生电信号,并且把该电信号传送到电子比较单元和/或控制单元。
也存在压差传感器,其测量ΔP=PA-PK。通过用于测取PA的压力传感器和ΔP-传感器,可以同样有利地实现本发明。
有利的是,控制单元被构造为用于比较阴极压力和阳极压力。
在本发明的特别的实施方式中,阴极压力被构造为控制单元的指令变量。这意味着,阳极压力根据阴极压力被调整。阴极压力被测量或根据压缩机尺寸和节流元件进行估计。该压力被用作调节阳极压力的额定值。
优选至少第一配量元件被构造为喷气阀。在实践中表明,恰恰是被构造为喷气阀的第一配量元件证明是特别有效的,该第一配量元件优选有利地控制第二配量元件。
必要时节流元件被构造为喷气阀。优选相应被构造为节流元件的喷气阀在不通电的状态下处于打开。
实施例:
在附图中示出了本发明的实施例,并且根据附图在下面对其进行详细说明。
附图详细地示出:
图1根据本发明的燃料电池设备的示意方框图和
图2根据本发明的第二个燃料电池设备的示意方框图。
在图1中,一方面给然料电池反应堆1提供了用于阳极3的氢气2,另一方面提供了用于阴极5的空气4。
空气4借助于压缩机6被压缩,并且接着借助于加湿器7被用水湿润,从而使得燃料电池反应堆1的薄膜8一方面不会干燥,并且另一方面不会太潮湿。
燃料电池反应堆1具有出口9,在其上设置有用于调节流出量或用于产生滞止压力的节流阀10。在燃料电池反应堆1的阳极侧上设置有阀门11,其在正常运行时被闭合,并且例如用于冲洗阳极3时被打开。后者尤其是用于冲洗积累在阳极侧上的氮等。
在该实施变型中,氢气2被储存在高压罐12中,其可以借助于截止阀13被关闭。例如氢气2以350巴或700巴被储存在高压罐12中。替代高压罐12,罐12也可以被构造为低压罐,例如构造为金属氢化物存储器或者氢气重整的中间存储器等等。
优选设置有用于降低高压罐12的存储压力的减压器14。在氢气2的流动方向上,在减压器14之后存在预压Pv。从节点15开始,氢气2一方面被输往第一配量元件16,而另一方面被输往第二配量元件17。配量元件16被构造为例如带有开/关功能的分配阀或所谓的HGI 16(氢气注射器)。配量元件17被构造为例如带有阀体18、尤其是锥形阀体18的阀17,所述阀体关闭或打开阀座19。
两个阀16和17被包括在结构单元20中,该结构单元被构造为减压阀20。结构单元20包括两个被薄膜21隔开的腔K1和K2,在其中存在相应的压力p1和p2。薄膜21同阀体18机械地耦联,从而薄膜21的偏转、尤其是垂直于薄膜面时,引起阀座19的调节或者闭合和/或打开。
此外在腔K1中设置有弹簧22,其一方面压向结构单元20的壳体,而另一方面压向薄膜21。因此弹簧22使得阀17预紧,从而阀17在平衡压力时、即在p1=p2时被关闭。薄膜21例如通过结构单元20的两个半壳体的卷边被可靠地并且尽可能压力密封地固定。
在腔K2后的流动方向上设置有流出节流阀23(Abstroemventil)。在腔K1和流出节流阀23后的流动方向中设置有第二节点24,从而流动线路25被连接成并联于流动线路26。在流动线路25中,设置有配量元件16、腔K2以及流出节流阀23,而在流动线路26中设置有阀17、弹簧22和腔K1。配量元件16和流出节流阀23在流动线路25中串联连接。两个流动线路25、26通过两个节点15、24被确定。
此外在阴极线路或空气线路中,设置有用于测取阴极压力PK的压力传感器27,而在阳极线路或氢气线路中,设置有用于测取阳极压力PA的传感器28。借助于控制单元29或电子控制设备,两个传感器27、28在控制技术上连接。控制单元29被构造为用于比较两个压力PK和PA的,其中PK被用作PA的指令变量。
此外,控制单元29在控制技术上与配量元件16或HGI 16连接,从而配量元件16的通流横截面或待配量的氢气2的量被控制单元29控制。通过HGI 16的待配量的氢气2的量,在腔K2中的压力p2被确定。压力p2的改变和/或压力p1的改变引起薄膜21的相应偏转,从而阀座19的阀17的通流横截面发生改变,或通过HGI 16被控制。相应地阀16和阀17被气动地耦联。
在图2中示出的实施例中,不同于在图1中所示,设置有第二喷气阀30或第二HGI 30,来代替根据图1的流出节流阀23。优选根据图2的第二HGI 30在不通电的状态下是打开的。
有利的是控制单元29借助于指令变量PK如此地调节阳极压力PA,使得PA基本上相当于PK。为此配量元件16或HGI 16以有利的方式通过相应的压力罐来控制。
HGI 16的通流横截面远远地小于阀座19或阀17的通流横截面。基于此,尤其是流过流动线路26的燃料流量明显大于流过流动线路25的燃料流量。
HGI 16的特征是对于流过流动线路25的物质量的高精确度或良好的配量性能,从而腔K2中的压力p2可以被非常精确地调整。相应地,薄膜21的偏转可以被精确的调整,由此流过流动线路26的相对大的氢气2的物质量可以被相对精确地调整。此外,通过借助于流动线路25的相对小的物质量来触发流动线路26的相对大的物质量,这种布置或结构单元20起到放大器或倍增器(Multiplizierer)的作用。
当腔K1和K2的压差、即ΔP=P2-P1等于弹性力除以薄膜有效面积加上由于压差ΔPv=Pv-P1而作用在阀体18上的力时,薄膜21处于力平衡。弹性力由弹簧22产生。
阀17被如此地设置,使得它在这种平衡状态下被打开或正好打开,并且根据释放的阀门开口横截面通过腔K1给燃料电池反应堆1输送氢气2。
腔K2由减压器14通过HGI 16被供给氢气2,接着氢气通过流出节流阀23流往燃料电池反应堆1的阳极侧。通过对流出节流阀23有利地确定尺寸或匹配/校准,可以通过HGI 16的触发的脉冲比(Taktver-haeltnis),即通过流入到腔K2中的量,至少在一定的限度内调整腔K2内的压力P2。HGI 16和流出节流阀23一起形成分压线路,在该分压线路中,HGI 16和节流阀23之间的压力P2、即在腔K2内的压力P2取决于通流的氢气量。
在平衡状态下,于是根据上述关系也得出腔K1内的压力P1。这意味着,通过脉冲比,压力P1或阳极压力PA发生改变,其中P1基本上相当于PA。控制单元29如此有利地编程,使得它寻求通过改变HGI 16的脉冲比使压力PA匹配于额定压力PK。
接下来通过对平衡位置的故障进行描述来详细说明调节特性。
情况A)阴极侧的额定压力PK升高:这时压力P1小于额定压力PK。控制单元29使HGI 16较大地进行脉冲,使得P2升高。在腔K2中更高的压力P2下,薄膜21被如此偏移,使得阀体18打开或释放更大的截面。这时更多的氢气2流入到腔K1内并且P1升高,直至再次调整到平衡状态为止,即直至P1或PA=PK为止。
情况B)阴极侧的额定压力PK降低:这时压力P1大于额定压力PK。控制单元29使HGI 16较小地进行脉冲或完全闭合,使得P2降低。通过腔K2内的低压力P2,薄膜21被如此地偏移,使得阀体18释放更小的开口横截面或完全闭合。自此在腔K1内流入更少的氢气2,并且P1降低,直至再次调整到平衡状态为止。
情况C)被燃料电池反应堆1消耗的氢气量升高:压力P1首先降低,因为不再有足够量的氢气2通过阀16续流入,以满足燃料电池反应堆1的消耗。通过腔K1内的低压力P1,薄膜21被如此地偏移,使得阀体18释放更大的截面。这时更多氢气2流入到腔K1内,并且P1升高,直至再次调整到平衡状态为止。该过程还被这样地加速:也按照上述情况A)使HGI 16进行脉冲,这使薄膜21移动到相同的方向。
情况D)被燃料电池反应堆1消耗的量降低:压力P1升高,因为更多量的氢气2通过阀17续流入,多于被燃料电池反应堆1所消耗的量。通过腔K1内的更高的压力P1,薄膜21被如此地偏移,使得阀体18释放更小的开口横截面或完全闭合。这时更少量的或完全没有氢气2流入到腔K1内,并且P1降低,直至再次调整到平衡状态为止。该过程还被这样地加速:按照上述情况B)使HGI 16减小脉冲或者HGI完全闭合,这使薄膜21移动到相同的方向。
情况E)被燃料电池反应堆1所消耗的量处于通过HGI 16而被吹入的量的范围内:压差P2-P1小于弹性力,从而弹簧22关闭阀17或阀座19。在阀17闭合时,这种调节还仅仅通过由控制单元29脉冲地触发HGI 16来进行,从而PA被调节到额定值PK。这意味着,流动线路26被完全闭合,并且仅仅允许流动线路25流过氢气2。
情况F)被燃料电池反应堆消耗的量等于零,例如在停止情况下:控制单元29没有触发HGI 16。因此没有氢气续流到腔K2内。通过节流阀23,腔K1和K2内的压力P1和P2平衡。这意味着,压差P2-P1等于零,并且这时在薄膜21上只是弹簧22的弹性力起作用。这时该弹性力关闭阀17并且保持其闭合,直至燃料电池反应堆1再次需要氢气2为止。
如果预压Pv大于待调节的最大阳极压力PA,原则上是有利的,所述预压Pv存在于减压阀20或结构单元20的出口上,并且不但在阀17前、也在HGI 16的进气处。通常Pv处于大约4至15巴的范围内,并且Pk或PA大约在1至约3巴的范围内。
阀座19的阀座面积应该小于薄膜有效面积,它有利地应该明显更小。尤其是通过阀17释放的最大面积应该足够的大,从而在最小预压Pv和最大压力时,可以在燃料电池反应堆1中确保要求的最大消耗量和必需的调节动力。
流出节流阀23的截面应该与由HGI 16最大释放的截面以有利的方式如此地协调,使得HGI 16和节流阀23的分压器线路通过HGI 16的脉冲比可以有利地起动燃料电池反应堆1中出现的整个压力范围。
阀座19或阀体18可以具有任意的几何形状。例如可以是球阀座或平阀座、缝隙式阀(Schlitzventil)和其他形式。
薄膜21可以由任意的柔韧材料制成,它应该符合抗压强度、气体稳定性和密封性的要求,例如金属、塑料或塑料涂装的织物。由于腔K1和K2两侧环流同样的气体,会有穿过薄膜材料的较大渗透,直至达到流通喷气阀16的质量流的约1/10的数量级。
替代进行脉冲的分配阀16或HGI 16,也可以使用比例阀16或者具有相应小的质量流的同样的阀门。
通常除了氢气2,也可以使用其它的可燃气体或流体。在相对大的积极的或消极的焦耳-汤姆逊效应中,有利的是:在相对大的相应温度变化时,在气体膨胀时在腔K1内设置有利的散热或导热,正如例如借助于热交换器或诸如此类以未详细描述的方式实现的那样。
基本上,根据本发明通过有针对性地供给氢气2或类似物,阳极侧的压力PA通过作为指令变量的阴极侧的压力Pk来平衡。通过调整阳极侧的压力PA,尤其是在恒定的消耗情况下确保了:燃料电池反应堆1总是被精确地供应了所消耗那么多的物质量。由根据本发明调整或者保持恒定阳极侧的压力PA,定量也几乎自动地进行。
尤其根据本发明特别有利的是,正好对于具有高功率和高动力要求的系统,仅带有电子操控或控制的阀16的成本低的解决方案是必须的。对控制器或控制单元29的要求在物质量大时也保持不变。例如在上述实施变型中,在仅仅使用HGI 16时,需要最大1A的电流用于控制,这与现有技术相比同样大大地降低了成本。
此外,例如在空转或部分负荷范围内时的小量也能够以与现有技术相同的速度被吹入,因为通过HGI 16此处产生直接的配量。
此外,根据本发明所提出的系统是具有诊断能力的,因为通过压力PA和Pk的确定,在不利的偏差时可以马上推断出系统中的故障。优选配量元件16或HGI被构造为在不通电的状态中是闭合的,从而在故障时,在系统组合中确保了高安全性。
Claims (12)
1.具有燃料电池单元(1)的燃料电池设备,其中设置有用于对至少一个电极(3,5)的物质量进行配量的配量单元(6,16,17),并且其中所述配量单元包括至少两个并联连接的配量元件(16,17),其特征在于,所述第一配量元件(16)被构造为用于控制第二配量元件(17)的通流横截面的控制元件(16)。
2.按照权利要求1所述的燃料电池设备,其特征在于,在所述第一配量元件(16)和第二配量元件(17)之间设置有用于耦联所述至少两个配量元件(16,17)的运行的气动的耦合装置(21,K1,K2)。
3.按照前述权利要求中任一项所述的燃料电池设备,其特征在于,所述第一配量元件(16)的最大通流横截面比第二配量元件(17)的最大通流横截面小了多倍。
4.按照前述权利要求中任一项所述的燃料电池设备,其特征在于,所述耦合装置(21)包括至少两个通过隔板(21)相互隔开的压力腔(K1,K2)。
5.按照前述权利要求中任一项所述的燃料电池设备,其特征在于,所述隔板(21)被构造为薄膜(21)。
6.按照前述权利要求中任一项所述的燃料电池设备,其特征在于,所述隔板(21)的调节改变了第二配量元件(17)的通流横截面。
7.按照前述权利要求中任一项所述的燃料电池设备,其特征在于,与所述配量元件之一(16)串联地并与另一个配量元件(17)并联地设置有至少一个用于改变压力的节流元件(23,30)。
8.按照前述权利要求中任一项所述的燃料电池设备,其特征在于,设置有用于控制所述第一配量元件(16)的控制单元(29)。
9.按照前述权利要求中任一项所述的燃料电池设备,其特征在于,设置有至少一个用于测取阴极压力的第一压力传感器(27)和至少一个用于测取阳极压力的第二压力传感器(28)。
10.按照前述权利要求中任一项所述的燃料电池设备,其特征在于,所述控制单元(29)被构造用于比较所述阴极压力和阳极压力。
11.按照前述权利要求中任一项所述的燃料电池设备,其特征在于,所述阴极压力被构造为控制单元(29)的指令变量。
12.按照前述权利要求中任一项所述的燃料电池设备,其特征在于,所述第一配量元件(16)被构造为喷气阀(16)。
Applications Claiming Priority (3)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE102005006355A DE102005006355A1 (de) | 2005-02-11 | 2005-02-11 | Brennstoffzellenanlage mit einer Dosiereinheit |
DE102005006355.1 | 2005-11-02 | ||
PCT/EP2006/050818 WO2006084886A1 (de) | 2005-02-11 | 2006-02-09 | Brennstoffzellenanlage mit einer dosiereinheit |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
CN101120475A true CN101120475A (zh) | 2008-02-06 |
CN101120475B CN101120475B (zh) | 2010-05-26 |
Family
ID=36127522
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
CN200680004750XA Active CN101120475B (zh) | 2005-02-11 | 2006-02-09 | 具有配量单元的燃料电池设备 |
Country Status (4)
Country | Link |
---|---|
US (1) | US20080102336A1 (zh) |
CN (1) | CN101120475B (zh) |
DE (1) | DE102005006355A1 (zh) |
WO (1) | WO2006084886A1 (zh) |
Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN105810977A (zh) * | 2015-01-19 | 2016-07-27 | 现代自动车株式会社 | 用于控制车辆的燃料电池的系统和方法 |
CN106486685A (zh) * | 2015-08-24 | 2017-03-08 | 北京亿华通科技股份有限公司 | 一种燃料电池系统及燃料电池系统的工作方法 |
CN110770485A (zh) * | 2017-06-21 | 2020-02-07 | 罗伯特·博世有限公司 | 用于控制气态介质的比例阀和燃料电池组件 |
CN111587505A (zh) * | 2018-01-11 | 2020-08-25 | 纬湃技术有限公司 | 用于h2/o2燃料电池的具有压力差控制的燃料电池装置 |
Families Citing this family (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
KR101637734B1 (ko) * | 2014-11-19 | 2016-07-07 | 현대자동차주식회사 | 연료전지 차량의 저온 시동 제어 시스템 |
AT524422B1 (de) * | 2020-11-16 | 2022-06-15 | Hainzl Ind Gmbh | Vorrichtung zur Dosierung kleiner Volumenströme eines viskosen Mediums aus einer Hochdruckleitung |
Family Cites Families (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP3956568B2 (ja) * | 2000-02-18 | 2007-08-08 | 日産自動車株式会社 | 燃料電池システムおよびその制御方法 |
US6706438B2 (en) * | 2000-08-10 | 2004-03-16 | Honda Giken Kogyo Kabushiki Kaisha | Fluid supply device for fuel cell |
WO2004046841A1 (en) * | 2002-11-20 | 2004-06-03 | Greenlight Power Technologies, Inc. | Inspirated pressure control system |
JP4647236B2 (ja) * | 2003-11-28 | 2011-03-09 | 本田技研工業株式会社 | 燃料電池の反応ガス供給装置 |
-
2005
- 2005-02-11 DE DE102005006355A patent/DE102005006355A1/de not_active Withdrawn
-
2006
- 2006-02-09 WO PCT/EP2006/050818 patent/WO2006084886A1/de not_active Application Discontinuation
- 2006-02-09 CN CN200680004750XA patent/CN101120475B/zh active Active
- 2006-02-09 US US11/722,803 patent/US20080102336A1/en not_active Abandoned
Cited By (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN105810977A (zh) * | 2015-01-19 | 2016-07-27 | 现代自动车株式会社 | 用于控制车辆的燃料电池的系统和方法 |
CN105810977B (zh) * | 2015-01-19 | 2020-12-08 | 现代自动车株式会社 | 用于控制车辆的燃料电池的系统和方法 |
CN106486685A (zh) * | 2015-08-24 | 2017-03-08 | 北京亿华通科技股份有限公司 | 一种燃料电池系统及燃料电池系统的工作方法 |
CN110770485A (zh) * | 2017-06-21 | 2020-02-07 | 罗伯特·博世有限公司 | 用于控制气态介质的比例阀和燃料电池组件 |
US11268626B2 (en) | 2017-06-21 | 2022-03-08 | Robert Bosch Gmbh | Proportional valve for controlling a gaseous medium and fuel cell arrangement |
CN111587505A (zh) * | 2018-01-11 | 2020-08-25 | 纬湃技术有限公司 | 用于h2/o2燃料电池的具有压力差控制的燃料电池装置 |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
CN101120475B (zh) | 2010-05-26 |
DE102005006355A1 (de) | 2006-08-24 |
WO2006084886A1 (de) | 2006-08-17 |
US20080102336A1 (en) | 2008-05-01 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
CN101120475B (zh) | 具有配量单元的燃料电池设备 | |
US8387441B2 (en) | Injector flow measurement for fuel cell applications | |
US7985507B2 (en) | Fuel cell system and related method | |
US7037609B2 (en) | Fuel circuit of the fuel cell system | |
US8367257B2 (en) | Fuel cell system and method for adjusting moisture content in a polymer electrolyte membrane | |
CN100563053C (zh) | 燃料电池系统 | |
US8623564B2 (en) | Method for remedial action in the event of the failure of the primary air flow measurement device in a fuel cell system | |
US20100151343A1 (en) | Fuel cell system and gas leakage detection device | |
CN209927167U (zh) | 一种燃料电池引射器测试系统 | |
US11306874B2 (en) | Gas supply system and method for estimating infernal pressure of gas tank | |
JP3620437B2 (ja) | 燃料電池システム | |
US7807308B2 (en) | Fuel cell system and start-up method | |
US11777116B2 (en) | Fuel cell system with a vibration generator, and method for operating a fuel cell system with a vibration generator | |
CN101405907A (zh) | 燃料电池装置 | |
US20070082243A1 (en) | Compact anode flow shift design for small fuel cell vehicles | |
EP1605539A3 (en) | Fuel cell system and method of controlling thereof | |
JP4338914B2 (ja) | 燃料循環式燃料電池システム | |
US20060078768A1 (en) | Anode inlet unit for a fuel cell system | |
CN109763914A (zh) | 一种具有冗余功能的甲烷自生增压系统 | |
US20180159157A1 (en) | Fuel cell system and method of operating fuel cell system | |
US20110008689A1 (en) | System and method for humidifying a master fuel cell stack with a slave fuel cell stack | |
CN114430054B (zh) | 一种燃料电池阳极水管理系统及其控制方法 | |
JP6028347B2 (ja) | 燃料電池システム | |
CN116505024B (zh) | 一种燃料电池的增湿系统和增湿方法 | |
CN114520352B (zh) | 气体压力控制装置及电堆测试平台 |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
C06 | Publication | ||
PB01 | Publication | ||
C10 | Entry into substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
C14 | Grant of patent or utility model | ||
GR01 | Patent grant |