CN101425591A - 在燃料电池气室中避免气态夹杂污物的方法和燃料电池 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及在燃料电池气室中避免气态夹杂污物的方法和燃料电池。本发明的内容涉及一种用于在燃料电池(1)停用期间在燃料电池(1)的至少一个气室中避免气态夹杂污物的方法，通过在所述至少一个气室中产生过压，包括下述步骤：在输入能量的条件下形成离析物，该离析物在运行燃料电池(1)的运行模式下输送到燃料电池；输送离析物以填充气室，由此使气室至少部分地被离析物填充；填充气室，由此在气室中产生过压，并且基本避免气态夹杂污物。

Description

在燃料电池气室中避免气态夹杂污物的方法和燃料电池
技术领域
本发明涉及一种用于在燃料电池停用期间在燃料电池的至少一个气室中避免气态夹杂污物的方法。本发明还涉及燃料电池，包括至少两个电极装置、设置在电极装置之间的电解元件和至少一个用于从燃料电池排出气态物质或将气态物质输入到燃料电池里面的离析物管道，还具有至少一个相应的气室。
背景技术
已知这种方法和燃料电池装置，它们保护用于运行的气室免受夹杂污物的损伤。在燃料电池停用期间，燃料电池不能密封地封闭，因此随着时间没有附加措施地使燃料电池的气室被挤入的气体如空气填充。在转换燃料电池运行模式时，反应气体导入到气室里面，在其中也还存在气体的夹杂污物。由此对于确定的时刻可能导致夹杂污物，如空气和反应气体，同时在燃料电池流场中的阳极不同位置上存在。在此在阴极上存在电位，它们导致腐蚀效应，腐蚀效应又起到使阴极更快老化的作用。在现有技术中由此解决这个问题，即在接通燃料电池时，在运行模式下在反应气体流入之前，将惰性气体输入到气室里面。由此能够避免有害电位。但是对于输入惰性气体需要附加的费用，它尤其在移动使用例如在汽车中使用时导致非常高的附加费用和巨大的空间需求，这只能较差地实现。
发明内容
因此本发明的目的是，实现一种方法和燃料电池，它们以微少的费用和简单的结构在燃料电池的气室里面，尤其是在燃料电池的停用模式期间，避免气态夹杂污物。
这个目的通过如权利要求1所述的方法和如权利要求6所述的燃料电池得以实现。本发明的有利改进方案在从属权利要求中给出。结合按照本发明的方法描述的特征和细节当然也适用于按照本发明的燃料电池，反之亦然。在此在权利要求和描述中提及的特征可以单独或任意组合地使用。
本发明涉及这样的技术教导，一种用于在燃料电池停用期间在燃料电池的至少一个气室中避免气态夹杂污物的方法，通过在所述至少一个气室中产生过压，包括下述步骤：
-在输入能量的条件下形成离析物，该离析物在运行燃料电池的运行模式下输送到燃料电池，
-输送离析物以填充气室，由此使气室至少部分地被离析物填充，
-填充气室，由此在气室中产生过压，并且基本避免气态夹杂污物。
所述燃料电池原则上包括两个电极板，其中一个电极板是阳极板，另一电极板是阴极板。它们相互间通过电解元件分开。如果多个燃料电池组成燃料电池组，则电极板由所谓的双极板构成，它们在一个单元中不仅包括阳极板而且也包括阴极板。电极板例如双极板导电地构成。
燃料电池基本按照下面的原理工作：在燃料电池中两个离析物、例如氢气和氧气相互反应成产物例如水，其中获得能量。离析物，在这里是两种气体氢气和氧气，通过电解元件相互分开并且通过电导体交换电子。这个电子流能够使燃料电池在其运行模式下起到电源的功能。在燃料电池的停用模式相应地不产生电流。
燃料电池、准确地说是电极板具有所谓的气室，在该气室中在运行模式下存在气态离析物。在停用模式下通过按照本发明的方法避免了气态夹杂污物如扩散进来的环境空气流入到气室里面。这一点通过在气室中在停用期间产生过压实现，由此不能使环境空气从外部扩散进入到气室里面。
为了产生过压并使气室或所有气室没有气态夹杂污物，首先在停用模式下形成离析物，离析物在运行模式下为了形成产物和能量而被输送到燃料电池。离析物例如可以是氢气和氧气。有利地使这些离析物在停用模式中产生，它们在运行模式下使用，用于通过燃料电池获得电流，由此在气室中不存在不反应的物质。在输送能量的条件下获得离析物。尽管离析物在停用模式下事实上是反应的产物，在这里使用离析物的概念是为了明确地表示：在产生物质时是指运行模式下的离析物。由此使运行模式下的离析物对应于停用模式下的产物并且运行模式下的产物对应于停用模式中的离析物。明确地说，用于在停用模式中产生过压的反应基本与在运行模式下的反应相反地进行。在产生离析物以后，使离析物输送到气室，用于使气室相应地填充。这样长时间地填充气室，直到在气室中与环境相比实现过压。由于过压不能使气态夹杂污物扩散进入到气室里面，因此使气室没有气态夹杂污物。
在一种实施方式中，在气室中避免气态夹杂污物的步骤包括排挤气态夹杂污物。如果已经在气室中存在气态夹杂污物，通过输送离析物例如氢气和氧气将气态夹杂污物从气室中排挤出去，由此使气室再没有夹杂污物。在此使气室这样填充，使得再实现相对于环境的略微过压。过压一般相对于环境只最小地构成，即几个mbar或hPa。
在另一实施方式中规定，通过调节的电解实现形成离析物的步骤。在此在电流的作用下，化学物如水被裂解。在此电解是燃料电池的相反原理。通过适合的调节器使电解调节到对应于要求。原理上需要与燃料电池类似的结构，由此通过适合的调节可以在燃料电池中自动地实现电解。因此在一种实施方式中规定，在燃料电池内部通过燃料电池原理逆转在运行模式下实现形成离析物的步骤。即，在停用模式下使燃料电池这样转换功能，使燃料电池可以执行电解。相应地通过控制器逆转功能，尤其是逆转能量和材料输送。在此可以利用在运行模式下已经获得的能量，用于在停用模式中产生运行模式的离析物。但是也可以备选地使用单独的装置，通过它能够产生离析物。
为此在另一实施方式中规定，在燃料电池外部实现形成离析物的步骤。当然也可以使两种方法组合。
本发明还涉及这样的技术教导，即燃料电池包括至少两个电极装置、设置在电极装置之间的电解元件和至少一个用于从燃料电池排出气态物质或将气态物质输入到燃料电池里面的离析物管道，还具有至少一个相应的气室，在此规定，所述燃料电池具有用于在燃料电池停用期间在气室中避免气态夹杂污物的机构。该机构设计成用于执行按照本发明的上述的方法。
电极装置由阳极例如阳极板和阴极例如阴极板构成。在其间设置电解元件，它例如可以是电解膜、尤其是聚合物电解膜(PEM)或类似物。
在一种实施方式中规定，所述机构包括用于在燃料电池中产生过压的压力装置，用于排挤气态夹杂污物。该压力装置在气室中产生过压，由此从外面不能使气态夹杂污物挤入或扩散进入气室。在此产生的过压只能最小地高于环境压力。这样构成该压力装置，使它在停用模式期间产生过压。在此在整个停用模式期间保持过压。只有在转换到运行模式时才取消这个过压。在扩展方案中，通过输送和/或产生离析物引起过压。
在本发明的另一实施方式中规定，使所述压力装置包括电解单元，用于在停用模式下通过产生可以在运行模式下输送到燃料电池的离析物以在燃料电池中产生过压。为了在燃料电池的停用模式中在气室或所有气室中产生过压，在停用模式中通过电解单元产生运行模式的离析物。在此转换燃料电池的工作原理。由此例如由水和能量在停用模式下产生氢气和氧气。运行模式的这些离析物输送到气室，由此使它们在那里产生相对于环境的过压，并且排挤或避免气态夹杂污物。
由此在一种实施方式中规定，所述电解单元具有用于来自燃料电池运行模式的产物输入、能量输入以及用于执行电解并在燃料电池的运行模式下形成离析物的电解槽。用于运行模式产物、如水的输入可以包括储存器、管道、输送机构如泵、节流阀、阀门和其它输送装置。这种输入可以由循环回路构成或者由具有注入和排出的敞开管道系统构成。所述输入具有相应的调整装置，其调节阀门、节流阀等、即整个输送。能量输送可以具有电源如电池、燃料电池、电网接口或类似部件。能量输送还可以包括调节器、转换器和其它用于调节能量输送的调整装置、测量装置和控制装置。电解槽设计成用于执行电解。电解槽可以是用于分解水的装置，通过电解将水分解成基本组分氢气和氧气。电解槽可以由碱性电解槽、PEM电解槽或高温电解槽等构成。
在一种实施方式中规定，使所述电解槽具有燃料电池内部的电极装置和电解元件以及用于逆转燃料电池功能的调节器，用于在燃料电池原理逆转时获得由相应的产物和能量添加所形成的两种离析物。在此在燃料电池中发生电解。在另一实施方式中规定，使所述电解槽具有燃料电池外部的电极和电解层以及用于执行电解的调节器。在此在燃料电池以外产生电解。
在停用模式期间转换燃料电池原理。在此在燃料电池中或者在分开的装置中通过电解产生氢气。为此所需的能量由能量输入提供，例如由汽车电池或混合动力汽车的驱动电池来提供。通过这种方法可以使燃料电池组保持在相对于环境略微过压，由此不会使气体从外面挤入。同时通过输入在电解时产生的氢气和氧气，补偿穿过膜的气体扩散。
所有的气体输入和排出管道可以通过阀门封闭。排出管道包括节流阀，它能够实现气体的缓慢逸出，如果燃料电池组中的压力位于环境压力以上。在第二实施方式中，在燃料电池组上施加电压，由此在电池组本身的催化器上产生电解反应。由此在电池组中产生氢气和氧气。水在阴极侧作为电解离析物输入。在第一实施方式中，相应地产生电解，但是不利用电池组中的催化器。在这种情况下利用外部的催化模块，例如同样是一个催化器，它基于PEM技术。在结构上可以使这个模块集成到电池组里面。这种结构在可逆的电池组中发挥功能。在两种情况下通过电解产生必需的过压。能量可以保持相对较小，如果使结构相应密封地构成。用于电解所需的水可以在使用汽车时在行驶期间中由产物水产生。在较长停用时，不仅电池而且蓄水器都可能变空，因此，或者必须断开运行，从而通过这种方案只能排除更短停用的结果，或者使燃料电池为了产生电流和水短时间地自动接通。水储存在容器里面，由容器可以提供水供电解使用。这个容器可以电加热，用于保护它免得结冻。作为可能的实施方式附加地对于或代替上述的节流，通过确定的耗电量由燃料电池实现保持压力。这种消耗的能量可以再输送到电池，由此减少总的电流消耗。另一实施方式规定通过模块化附件进行控制，通过它同样能够省去节流阀。在电池组以外的电解可以通过完成分解的电解槽实现。实施变型方案是一种分隔的电池组，由此实现两种方案的组合。
附图说明
改善本发明的其它措施在从属权利要求中给出，或者由下面两个本发明的实施方式的描述中给出，在附图中简示出实施方式。所有由权利要求、描述或附图给出的特征和/或优点包括结构细节、空间布置和方法步骤，不仅可以单独使用，而且可以以不同的组合使用。附图中：
图1示出具有外部电解的燃料电池的第一实施方式结构的示意框图，
图2示出具有内部电解的燃料电池的第二实施方式结构的示意框图。
具体实施方式
图1简示出具有外部电解的燃料电池1的第一实施方式结构的示意框图。该燃料电池1包括两个电极装置2、3，其中第一电极装置2由阳极构成而第二电极装置3由阴极构成。此外燃料电池1包括电解元件4，它设置在阳极2与阴极3之间。各一个离析物管道5、6分别导引到电极装置2、3。通过相应的离析物管道5、6使相应的离析物输送到阳极2或阴极3。离析物管道5将燃烧气体如氢气在运行模式下输送到阳极2而离析物管道6使另一燃烧气体如氧气在运行模式下输送到阴极3。相应的气室位于离析物管道5、6或在电极装置2、3里面，在气室中可以存在相应的离析物。
为了避免由于例如扩散进入的环境空气而造成的气室的气态夹杂污物，使燃料电池1具有压力装置7，它在燃料电池1中、准确地说在气室中产生相对于环境的过压。
压力装置7包括电解单元8，它在燃料电池1的停用模式下产生燃料电池的运行模式的离析物。通过将这种离析物输送到燃料电池里面在燃料电池中产生过压。电解单元8包括用于产物的输入9、能量输入10和用于执行电解的电解槽11。通过输入9例如使水作为产物输送到电解槽11。通过能量输入10将用于电解所需的能量输送到电解槽11。为了调节电解可以具有调节器12，例如功率电子伺服器(例如AC/DC或DC/DC转换器)或类似部件。电解槽11包括阳极单元14和阴极单元13，在其上产生氢气(阴极)或氧气(阳极)。氢气和氧气导入到相应的管道系统15里面并且通过相应的离析物管道5、6输送到燃料电池。管道系统15除了相应的管道16以外也包括其它管道部件17如节流阀、压缩机、泵、阀门和类似部件。除了阳极单元13和阴极单元14以外电解槽11具有电解层20。
管道系统15如下构成：当阀门17a、b和e打开时，通过管道16从储存器输入燃烧气体如氢气，并且通过阀门17a和17b到达阳极2。未消耗的氢气通过阀门17e导引到压缩机17c，它使氢气通过阀门17b再返回到燃料电池1。这种回输也称为再循环。压缩机17c只表示扩展结构的示例的可能性。也可以设想，对于再循环利用阀门喷嘴。为了在运行时避免聚集污物如惰性气体，通过阀门17d控制周期地或连续地使气体排到环境。在运行中节流阀17f通常是关闭的。
在运行中阀门17h和17i打开。氧化物如空气或氧气从空气压缩机流到阴极3。未消耗的氧化物通过阀门17i进入环境。在运行中要尽可能没有空气通过节流阀17j排出，因此节流阀17j在运行中同样是关闭的。在停用期间燃料电池1通过阀门17b、17e、17h和17i与环境隔离。通过电解槽11使燃烧气体导入到燃料电池内部。在此节流阀17f和17j可以打开并且用于保持压力。
图2示出具有内部电解的燃料电池1’的第二实施方式结构的示意框图。该燃料电池1’包括两个电极装置2、3，其中第一电极装置2在运行模式下构成阳极并且第二电极装置3在运行模式下构成阴极。在停用模式下，电极装置2、3交换其功能。该燃料电池1还包括电解元件4，它设置在电极装置2、3之间。各一个离析物管道5、6分别导引到电极装置2、3，其中通过离析物管道6不仅可以输送氧气而且可以输送水到电极装置3。通过相应的离析物管道5、6对阳极2或阴极3输入或排出相应的离析物。离析物管道5在运行模式下将氢气输送到阳极2而离析物管道6在运行模式下输送氧气到阴极3。在停用模式下燃料电池通过关闭阀门17b、e、h、i与环境隔离，由此不输入气体。取而代之在电极装置5、6里面通过电解产生氢气和氧气。为此通过离析物管道6在关闭阀门17h时输送水。通过能量输入10、通过调节器12调节使电压施加在两个电极装置2、3上。由此使燃料电池1作为电解单元11运行并且由水产生氢气和氧气。
按照图2的燃料电池1’与按照图1的燃料电池1的主要差别是，不使用外部的电解槽，并且相应地使输入9直接导引到管道系统15中。相应地也使能量输入10不导引到外部的电解槽11，而是导引到电极装置2、3。
相应的气室位于离析物管道5、6或在电极装置2、3里面，在气室中可以存在相应的离析物。为了避免由于例如扩散进入的环境空气造成气室的气态夹杂污物，燃料电池1具有集成到燃料电池里面的压力装置7，它在燃料电池1里面、准确地说在气室里面产生相对于环境的过压。该压力装置7包括电解单元8，它在燃料电池1的停用模式下产生燃料电池的运行模式的离析物。电解单元8包括用于产物的输入9、能量输入10和用于执行电解的电解槽11。通过输入9例如使水作为产物输送到电解槽11。通过能量输入10，对电解槽11输送对于电解所需的能量。为了调节电解可以具有调节器12如DC/DC转换器或类似部件。电解槽11包括第一电极装置2和第二电极装置3，在其上产生氢气(阳极)或氧气(阴极)。氢气和氧气导入到相应的管道系统15或燃料电池1的气室中，并且在接通运行模式时通过燃料电池1的相应离析物管道5、6排出。管道系统15与图1类似地构成并且除了相应的管道16以外还包括其它管道部件17如节流阀、压缩机、泵、阀门和类似部件。

Claims (11)

1.一种用于在燃料电池(1)停用期间在燃料电池(1)的至少一个气室中避免气态夹杂污物的方法，通过在所述至少一个气室中产生过压，包括下述步骤：
-在输入能量的条件下形成离析物，该离析物在运行燃料电池(1)的运行模式下输送到燃料电池，
-输送离析物以填充气室，由此使气室至少部分地被离析物填充，
-填充气室，由此在气室中产生过压，并且基本避免气态夹杂污物。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述在气室中避免气态夹杂污物包括排挤气态夹杂污物。
3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，通过调节的电解来实现形成离析物的步骤。
4.如权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，在燃料电池(1)内部通过燃料电池原理逆转在运行模式下实现形成离析物的步骤。
5.如权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，在燃料电池(1)外部实现形成离析物的步骤。
6.燃料电池(1)，包括至少两个电极装置(2、3)、设置在所述电极(2、3)装置之间的电解元件(4)和至少一个用于从燃料电池排出气态物质或将气态物质输入到燃料电池(1)里面的离析物管道(5、6)，还具有至少一个相应的气室，其特征在于，所述燃料电池(1)具有用于在燃料电池(1)停用期间在气室中避免气态夹杂污物的机构。
7.如权利要求6所述的燃料电池(1)，其特征在于，所述机构包括用于在燃料电池(1)中产生过压的压力装置(7)，用于排挤气态夹杂污物。
8.如权利要求6或7所述的燃料电池(1)，其特征在于，所述压力装置(7)包括电解单元(8)，用于在停用模式下通过产生离析物在燃料电池(1)中产生过压，上述离析物可以在运行模式下输入到燃料电池(1)。
9.如权利要求6至8中任一项所述的燃料电池(1)，其特征在于，所述电解单元(8)具有用于燃料电池(1)运行模式下的产物的输入(9)、能量输入(10)和用于执行电解并在燃料电池(1)的运行模式下形成离析物的电解槽(11)。
10.如权利要求6至9中任一项所述的燃料电池(1)，其特征在于，所述电解槽(11)具有燃料电池内部的电极装置(2、3)和电解元件(4)以及用于逆转燃料电池(1)功能的调节器(12)，用于在燃料电池原理逆转时获得由相应的产物和能量添加所形成的两种离析物。
11.如权利要求6至9中任一项所述的燃料电池(1)，其特征在于，所述电解槽(11)具有燃料电池外部的电极(13，14)和电解层(20)以及用于执行电解的调节器(12)。
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