CN101405907A - 燃料电池装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种燃料电池装置(1)，它具有燃料电池(2)和由控制单元操纵的执行元件(3)，该执行元件用于从燃料电池的工作燃料流中排出剩余气体。本装置的特征在于：控制单元(4)包括考虑到工作燃料流中工作燃料浓度的控制装置和/或调节装置(4.1)。
Description
本发明涉及根据权利要求1的前序部分所述的一种燃料电池装置。
背景技术
燃料电池，特别是具有能传导质子的作为聚合物箔阳极和阴极之间的隔膜的这种燃料电池(PEM-燃料电池)，在阳极侧利用一种可燃气体，如气态的氢或含氢的气体混合物，如重整气体进行工作的。
为了改善这种燃料电池的效率，已知的做法是：将在输出侧离开燃料电池的阳极侧的剩余气体，通过所谓的再循环措施或再循环线路，再在阳极输入侧再输送给燃料电池。但由于燃料电池在工作中只消耗纯的燃料，通常是氢，所以燃料流的这种再循环就会引起燃料电池的阳极区域中纯燃料的浓度在工作的过程中降低。
这是由于剩余气体在上述循环回路中的积聚所决定的，这些剩余气体要么是来自于气体燃料的供给，要么是通过从燃料电池的阴极侧，即从其被供以空气的一侧的扩散而达到阳极侧。这里，剩余气体主要是氮气和水蒸汽。由于剩余气体的逆向流动、剩余气体含量的增高和燃料电池中纯燃料成分的减少，燃料电池的电压也下降。在气体燃料消耗量很高的情况下，对质子交换隔膜(PEM-膜)的气体输送的动力也逐渐减小。
因此为了避免在燃料电池的阳极区域内剩余气体高度积聚，已知的做法是：要么是将从燃料电池的阳极区域出来的气体持续地通过一个节流阀排放到周围环境中，要么按另一种实施方式依有规律的时间间隔通过相应地控制的阀将之排放。这种阀例如以“排出阀”的名称而公知。
发明的内容
因此本发明的目的在于，改进开头部分所述类型的燃料电池装置。
上述目的是通过权利要求1的特征得以实现。在从属权利中说明了本发明的一些有利的和适用的改进。
相应地，本发明涉及一种燃料电池装置，它具有燃料电池和由控制单元控制的执行元件，该执行元件用于将剩余气体从燃料电池的工作燃料流中排出。依本发明，该燃料电池装置的特征在于：控制单元包括一种考虑工作燃料流中的工作燃料浓度的控制装置和/或调节装置。
该做法基于以下认识：在迄今常用的用于排出剩余气体的方法中，持续地通过节流闸或者通过以有规律的时间间隔打开阀，不仅将燃料电池的工作燃料流或燃料流中所不希望的剩余气体部分在阳极侧排出，而且还不得不从阳极排出尚未转化的燃料。剩余气体的浓度越低，则燃料的浓度就越高，这种燃料优选是氢气，从而由于这种未加以利用的燃料被排出而造成的损失亦越大。这种认知适用于两个迄今已知的用于排出剩余气体的方法。
在此基础上，本发明提出：只有当工作燃料或燃料的浓度低于某个预定值时，或者当剩余气体中的其它物质的某种不希望的浓度超过一个不允许的值时，才通过执行元件从工作燃料流中排出剩余气体。由此，由不必要地从工作燃料流中排出或排掉剩余气体，引起的燃料损失以提高燃料电池的效率的方式被避免。
为了求得燃料流中燃料的分压或浓度，例如可以按第一个实施方式设置工作燃料浓度或燃料浓度传感器，该传感器将相应的信号传递给操纵执行元件的控制单元。特别有利的，可为此使用燃料传感器，该传感器具有特别对高燃料浓度的大的灵敏度，即，在该使用范围内它能提供良好的高分辨率的且准确的信号。对于用氢气工作的燃料电池来说，该传感器是一个相应地敏感的氢传感器。
除了采用对工作燃料流中的燃料浓度进行监控，以达到触发执行元件来排出剩余气体的目的之外，还提出第二个解决方案，该方案可单独予以实施，亦可与第一个方案一起实施。于此，燃料流中氮的浓度是由与控制单元相连的氮浓度传感器加以监视的。在超过氮的某个浓度值时，控制单元如前所述地将剩余气体从工作燃料流中排出。
根据下一个实施方式，同样可以单独地，或者也可以结合上述的一个或两个方案地，对燃料流中的水蒸汽的浓度进行监视；且在超过一定的最大值时，执行元件便被控制单元触发而将剩余气体排出。
除了这种直接的浓度值监视之外，本发明还提出一种间接的监视可行方案，依此，设置了一个用于所输送的工作燃料量的检测机构。为此，例如引入工作燃料再循环装置的重要的消耗功率参数。这里特别合适的有电流检测机构、电压检测机构和/或功率检测机构，例如相应的变换器，其信号被采集并可为采取相应措施而被分析处理。
再循环装置例如可以是再循环压缩机、再循环泵，等等。由于这些装置可以任意具有旋转地操作的或平移地操作的部件，另一种通过对相应设置的传感器如转速测量器或升降频率测量器的信号的分析处理来检测工作燃料流中燃料浓度的方案也是可行的。也可以考虑一种例如利用一种如叶轮计数器形式的流量计的体积流量探测。
特别通过同已知功率消耗或者也与那些与一定燃料剂浓度对应的及转速、频率或体积流量进行比较，可明确地获知燃料流中纯燃料的浓度，由此也可以通过经控制单元来操纵执行元件对从工作燃料流中排出剩余气体进行准确的干预。
为了操纵执行元件，按照控制单元的一种简单的实施方式，例如可以设置一种基于时间的触发。因此例如在超过或低于一定浓度极限值后，引起所谓的“排出过程”，即通过执行元件的打开以排出剩余气体。在经过确定的可预定的时段之后，便又可结束该过程，必要时可重复进行该过程，直到所产生的杂质气体成分已再次减小到一个允许值为止，或者直到燃料刚好具有一个相应高的纯燃料浓度为止。
除了这样一种结构比较简单的控制装置之外，根据一个价值较高的实施方式，也可以设置用于操纵阀门的调节装置。依此，控制单元例如可以通过对执行元件的开启时间的改变，来调节通过执行元件的剩余气体流量。根据另一改进的实施方式，也可以规定：来改变执行元件的有效横截面以对通过执行元件的剩余气体流量进行干预。作为执行元件，例如在第一种情况下可以设置一个分配阀；在第二种情况下可以设置相应地触发的比例阀，或者也可以设置调节阀。因此可以实现多种调节方式，例如额定值可通过执行元件的简单开启来实现调节或者根据阳极线路中的压力实现预控制的调节，以及通过叠加的调节等来实现精确的计量等等。
具体实施方式
本发明将参照附图和下面有关说明来加以详细阐述。依此，附图为燃料电池装置的示意性的方框图。
根据附图燃料电池装置1因此包括燃料电池2以及，用于从阳极侧的燃料流中排出剩余气体的执行元件3，为此，该执行元件根据一定的工作参数由配有控制装置和/或调节装置4.1的控制单元4进行操纵。工作参数优选可以是纯燃料的浓度值或其它剩余气体成分，如氮气或水蒸汽。
为了向燃料电池2供给燃料，为此例如燃料存储器5通过阀6并沿供给方向然后通过压力调节器7以及燃料计量单元8而与燃料供给管路9相连接。如此所输送的气体燃料，优选氢气或含氢气的气体混合物，如重整气体，以处于相应压力下的体积流的形式经过入口10而流入到燃料电池2的阳极侧A。
在燃料电池2工作时，只消耗一部分氢用于产生电能。所输送的气体的未消耗的部分通过燃料电池2的阳极侧的出口11又被排出。为了避免高的氢损失，所述剩余气体利用再循环装置13，经过再循环线路12，在回馈点14重新被馈入到供给管路9中。
为了将控制单元4连接到燃料电池装置的各个单元上，以及为了实现能源供给和必要时为了向其它控制单元和/或调节单元发出其它信号，在附图中示意地示出了两个输入和输出区15、16。特别是这两个区包括连接线，这些连接线用于将信号从探测单元17、18、19传递到控制单元4，和从控制单元4传递到执行元件3。
第一探测单元例如是工作燃料浓度传感器17，该传感器在出口11上与再循环线路12连接。在本示例性的实施方式中，该传感器是氢传感器，其在大的氢浓度的范围内具有高灵敏度，从而能够提供一个尽可能精细分辨的且准确的用于控制单元4的主要出现的工作情况的信号。
在剩余气体中的纯燃料低于可预先给定的最小浓度值时，控制单元4便经过输出区16传递信号用于操作执行元件3，以便将一定量的剩余气体经过所谓的“排出装置”从工作燃料流中排出。由此随后便有浓度较高的燃料流入到燃料电池的阳极区，因为该燃料电池仅仅经过由燃料存储器5所供给的燃料计量单元被供给的。随着燃料分压力的升高，在燃料电池2的在此未示出的电连接元件上的由燃料电池所感应的电压亦升高。特别是在气体燃料消耗很高的情况下，燃料电池的动态性也会得到明显改善。
用于对燃料流中降低的燃料浓度信号化的第二种可行方案是，设置氮浓度传感器18，该传感器也是经过输入区15而与控制单元4相连的。在超过一定的氮浓度时，(这例如可由于从燃料电池2的阴极侧K到阳极侧A的扩散所引起的)，可如前所述那样同样通过控制单元4操纵排出阀3。
用于基于工作燃料流中的不允许状况操纵排泄阀3的另一可行方案，例如是由通过相应的浓度传感器19来通告过高的水汽浓度实现。为明了起见，该水汽浓度传感器19同时作为氮浓度传感器18示出。但为了实现这一目的，可以分别有选择地或者只设置这两个传感器中的一个，或者这两个传感器也可以单独设计。但也可考虑具有两个传感器的一种组合的实施方式，或者也可具有工作燃料浓度传感器17。但也可以将所有的三个传感器组合起来。
用于操纵排出阀3的另一可行方案是，检测工作燃料再循环装置1 3的重要的消耗功率的参数。根据优选的实施方式，这种检测机构是一种探测电流、电压或功率的电的或电子的部件，该部件优选安装在控制单元4中，从而不需要附加的信号线路。但这些部件当然也可以分开设计。
触发或调节视阀或控制单元4的实施方式而定排出阀的另一种可行方案，也可以是，例如利用一个转速计21对再循环装置13的旋转的元件的转速进行检测。通过相应的转速转换提供给控制单元4的信号例如可以是计算算法的输入矢量，该输入矢量与预设的参数系(Parameterschar)相结合以用于实现对排出阀3的操纵。
特别是通过得知与转速计的不同转速对应的燃料浓度和/或剩余气体中不希望的其它气体成分的浓度，可以准确确定剩余气体的组成。通过控制单元4对排出阀3的触发或调节可以不同程度地取消。根据一种简单的实施方式，在超过或低于一剩余气体成分的临界值的情况下，在一定的时间内，一个设计成简单的分配阀的排出阀可以被触发，随后通过该信号的反馈可再次关闭。为了实现更高要求的或更精细的计量，也可设置如下调节装置，其中控制单元4要么按不同级切换相应设计的阀3，要么必要时分级地或无级地调节该阀。通过这种实施方式，排出过程的持续时间便可最佳地适配于燃料电池的相应的工作状态。
Claims (10)
1.一种燃料电池装置(1)，具有燃料电池(2)和由控制单元(4)加以控制的执行元件(3)，该执行元件用来从所述燃料电池(2)的工作燃料流中排出剩余气体，
其特征在于：
所述控制单元(4)包括考虑到工作燃料流中工作燃料浓度的控制装置和/或调节装置(4.1)。
2.按权利要求1所述的燃料电池装置，
其特征在于：
设置工作燃料浓度传感器(17)。
3.按权利要求1或2所述的燃料电池装置，
其特征在于：
所述工作燃料浓度传感器(17，18，19)的优选的工作范围与所述燃料电池的主要的工作燃料浓度范围相一致。
4.按以上权利要求中任一项所述的燃料电池装置，
其特征在于：
设置氢浓度传感器(17)。
5.按以上权利要求中任一项所述的燃料电池装置，
其特征在于：
设置氮浓度传感器(18)。
6.按以上权利要求中任一项所述的燃料电池装置，
其特征在于：
设置水蒸汽浓度传感器(19)。
7.按以上权利要求中任一项所述的燃料电池装置，
其特征在于：
设置用于所输送的工作燃料量的检测机构(20)。
8.按以上权利要求中任一项所述的燃料电池装置，
其特征在于：
所述控制单元(4)按照所测量的浓度的额定值控发所述执行元件(3)。
10.按以上权利要求中任一项所述的燃料电池装置，
其特征在于：
所述控制单元(4)通过对脉冲阀的周期时间和/或吹入时间的改变和/或对比例阀(3)的阀行程的改变来调节剩余气体的流量。
11.按以上权利要求中任一项所述的燃料电池装置，
其特征在于：
所述控制单元(4)通过对执行元件(3)的有效横截面或触发时间的改变来调节剩余气体的流量。
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