CN101981738B - 用于关闭燃料电池的方法和设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于关闭具有串联连接的多个电池(11)的燃料电池(1)的方法，其中，在操作期间供应至少两种反应气体，并且在操作之后中断至少一种反应气体的供应，其中，通过经由至少一个消耗器(13)来耗散电池(11)中由反应气体产生的电流，从而消耗至少一个电池(11)中残留的反应气体，本发明还涉及用于实施所述方法的设备。为了完全地并且可控地消耗每个电池(11)中残余的反应气体，本发明提供了以下方案，经由每个电池(11)至少一个开关元件(14)，将至少一个消耗器(13)与每个电池(11)连接在一起，结果是消耗器(13)与每个电池(11)形成专用电路，通过经由连接至电池(11)的至少一个消耗器(13)来耗散电池(11)中由反应气体产生的电流，从而完全消耗每个电池(11)中的至少一种反应气体。

Description

用于关闭燃料电池的方法和设备

技术领域

本发明涉及一种用于关闭燃料电池的方法，所述燃料电池包括串联连接的若干个电池，其中，在操作期间供应至少两种反应气体，并且在操作之后中断至少一种反应气体的供应，并且，通过经由至少一个消耗器来耗散电池中由反应气体产生的电流，从而消耗至少一个电池中残留的反应气体。

同样，本发明涉及用于关闭燃料电池的设备，所述燃料电池包括串联连接的若干个电池以及用于供应至少两种反应气体的连接线路，所述设备包括至少一个消耗器，用于耗散在操作之后由存在于每个电池中的反应气体产生的电流。

背景技术

由DE10059393A1已知，在操作燃料电池之后，除去反应气体的残余物，反应气体通过化学反应产生电流。这是通过与燃料电池平行连接的电阻器实现的。

DE102004034071A1涉及用于燃料电池系统的关闭方法，该方法例如可以用在电动驱动的车辆中。当关闭燃料电池系统时，反应气体的供应，即，氢气的供应被中断，并且剩余的残余气体被供应至电力消耗器。

US5105142A1描述了一种用于燃料电池的放电电路，其中，在关闭燃料电池之后，由残余气体产生的电流经由平行电阻器耗散，平行电阻器也可以是可变的。

这涉及以下缺点，即，当残余气体在燃料电池的各个电池中不均匀分布的情况下，快速地并且有差别地消耗残余气体。结果，电流将会继续流经电池，直至所有的残余气体全部被消耗。因此，电流还会流经其中的残余气体已经被消耗完的电池。这会导致这些气体被耗尽的电池上的电压反相，进而会对这些局部电池造成严重的损害。结果，燃料电池的效率和使用寿命会因此劣化。

因此，本发明的目的在于完全地并且可控地消耗在关闭燃料电池之后各个电池中剩余的反应气体。

发明内容

本发明在方法方面的目的是通过以下方式实现的：经由每个电池至少一个开关元件，将至少一个消耗器与每个电池相连接，使得消耗器与每个电池形成单独的电路，并且通过经由至少一个消耗器来耗散至少一个电池中由残留的反应气体产生的电流，从而消耗电池中残留的反应气体。这提供了以下优点：每个电池中剩余的反应气体以可控的方式被消耗，而燃料电池的其他电池不被加载。由此，将能够可靠地防止对电池有损害的电压反相。同样地，由此能够加速燃料电池的关闭过程。这里重要的是，燃料电池的每个电池都与消耗器形成单独的电路，各个电池中的剩余反应气体能够经由所述电路被消耗，而不会影响其他电池。

通过将至少一个消耗器连接至每个电池从而与每个单独的电池形成单独的电路，确保快速并且安全地消耗每个电池的反应气体。

以有利的方式，将消耗器逐步地一个接一个地连接至每个电池。这样使得能够以简单的和成本有效的方式实施所述方法。

如果经由每个电池至少一个开关元件将消耗器连接至每个电池，则将确保操作期间燃料电池不会被消耗器加载。

通过使用控制设备来控制开关元件，快速和自动地实施所述方式将是可行的。

测量每个电池的电压也将是有利的。这样使得能够实施所述方法，同时考虑所测量的电池电压。

以有利的方式，在测量电池电压期间，断开至少一个消耗器，从而不影响所述测量。

根据本发明的另一特性特征，根据所测量的电池电压，将消耗器逐步连接至各个电池。这样使得能够特别高效地关闭燃料电池，原因例如是首先消耗具有最高的电池电压的电池的反应气体，然后，将具有次高电池电压的电池连接至消耗器。还可以在操作燃料电池期间使用用于测量电池电压的设备，从而测量电池电压。有利地，提供测量设备，可以将测量设备借助相同的开关元件连接至电池，消耗器经由所述开关元件连接至电池。这样将提供成本有效的组件。

但是，本发明的目的也可以通过上述设备来实现，其中，至少一个消耗器可以经由至少一个开关元件与每个单独的电池连接在一起，从而使得能够借助所述消耗器耗散由操作之后的每个电池中存在的反应气体所产生的电流。

以有利的方式，消耗器可以经由两个歧管和至少一个开关元件与每个单独的电池连接在一起。这样将会提供非常高效的、简单的并且成本有效的组件。

有利地，开关元件与控制设备连接在一起。因此，能够自动进行关闭程序，并且在操作燃料电池期间断开消耗器，使得燃料电池不会被消耗器加载。

有利地，构造控制设备，用于将消耗器逐步地连接至每个电池。这样使得单个消耗器能够用于燃料电池堆的所有电池(例如，100个)。

如果经由开关元件将消耗器布置在歧管之间，则例如可以在操作燃料电池期间断开消耗器。

以有利的方式设置用于测量电池电压的设备。

所述测量设备可以经由歧管与消耗器平行地连接在一起。

如果测量设备与控制设备连接在一起并且将控制设备构造成根据所测量的电池电压来控制每个电池的开关元件，则可以将消耗器和/或测量设备逐步地连接至每个单独的电池，由此，确保特别高效和快速地关闭燃料电池。

消耗器有利地由线性操作的晶体管形成。这样使得能够通过消耗反应气体来恒定地耗散电池中产生的电流，并且能够加速关闭电池或燃料电池。

附图说明

下面借助后面所附的示意性附图更加详细地解释本发明。其中：

图1示出燃料电池的示意性结构；

图2示意性地示出根据本发明的用于关闭燃料电池的设备；以及

图3示意性地示出根据本发明的用于实施本发明的另一实施方式的方法的设备。

具体实施方式

首先指出，示例性实施方式的相同部件具有相同的附图标记。

图1描述了由至少两种反应气体，有利地是氢气2和氧气3或者空气，产生电流的燃料电池1。

通常，燃料电池1是电化学发生器，其由化合物直接产生电流。这是通过逆转水的电解而实现的，在水的电解过程中，通过电流的流动形成反应气体氢气2和氧气3。

燃料电池1由若干个串联连接的电池组成，这些电池称作电池堆12。在燃料电池1的电池11中，反应气体氢气2和氧气3相互反应，从而产生电流。电池11由阳极4、阴极5、电解液6和催化剂7形成。

在燃料电池1中，氢气2与氧气3反应，以产生电流。为此，在阳极4处供应氢气2，并且在阴极5处供应氧气3，阳极4和阴极5被电解液6隔离。而且，在阳极4和阴极5的正对电解液6的一侧上均涂有催化剂7，催化剂7通常由铂制成。这样使得氢气2能够与氧气3反应，该过程在两个电极即阳极4和阴极5上在两个单独的反应中进行。

在阳极4处供应氢气2，所述氢气2在催化剂7上反应，一个氢气分子裂解为两个氢原子。氢原子具有两个组分，即带负电荷的电子和带正电荷的质子，每个氢原子都释放其电子。带正电荷的质子穿过电解液6扩散至阴极5，电解液6对于带负电荷的电子而言是不可通过的。

与在阳极4处供应氢气2同时地，在阴极5处供应氧气3。氧气分子在催化剂7上反应，并且每个氧气分子裂解为两个氧原子，其沉积在阴极5上。

由此，氢气2的带正电荷的质子以及氧原子沉积在阴极5上，而氢气2的带负电荷的电子沉积在阳极4上。这导致在阴极5上出现所谓的电子缺失和在阳极4上出现所谓的电子过量。因此，结果是，阳极4相对于阴极5处于负电势，由此，阳极4相应于负极(-)并且阴极5相应于正极(+)。

如果两个电极即阳极4和阴极5与电导体8连接在一起，则由于存在电势差，电子经由导体8从阳极4移动至阴极5。由此，直流电流经线路8以及与其连接在一起的负载9。负载9例如可以由电池组成，所述电池储存产生的电流，或者，负载9可以由反相器组成，所述反相器将产生的直流电转化成交流电。

经由导体8从阳极4移动至阴极5的两个电子都被阴极5中的氧原子吸收，由此形成带双负电荷的氧离子。这些氧离子与氢气2的已经穿过电解液6从阳极6扩散至阴极5的带正电荷的质子结合，从而形成水10。水10从阴极5中排出，作为所谓的反应最终产物。

为了关闭燃料电池1，优选地中断供应反应气体氧气3或者空气。这导致至少一部分反应气体保留在电池11中。在没有其他任何措施的情况下，对于至少一些类型的燃料电池1，这将导致氢气2扩散穿过电解液6并且在电池11的阴极5中产生爆炸性混合物。还将显著地缩短电池11，特别是电解液6和催化剂7的使用寿命。为了防止这种情况，已经使用了用于关闭燃料电池1的选择性方法。由此，反应气体中的一部分氧气3被消耗到一定程度，从而能够关闭燃料电池1使其处于关闭状态，而没有任何风险。由于这些方法基本上是现有技术中已知的，因此下面将仅讨论本发明的细节。

以以下方式实施根据本发明的用于关闭燃料电池1的方法：通过经由单独连接至每个电池11的至少一个消耗器13来耗散电池11中由反应气体产生的电流，从而完全消耗每个单独的电池11中的至少一种反应气体。与提供所有电池11共用的电阻器不同，在过早耗尽局部气体的情况下，不会发生损坏电池11的电压反相。消耗燃料电池1的电池11中的反应气体也称作电池11的消耗(Abreagieren)。

图2示意性地示出根据本发明的用于实施本发明方法的设备。

由此，很明显，至少一个消耗器13可以连接至电池堆12的每一个电池11，优选地每个消耗器13经由两个开关元件连接至电池11。这是通过以下方式实现的：消耗器13与电池11平行连接并且与电池11形成电路，所述电路经由开关元件14闭合。为了使这种方式能够单独地用于电池堆12中的所有电池11，电池11的每个极经由其中一个开关元件14与其中一个歧管15连接在一起。此时，两个电池11的两个相邻的极经由其中一个开关元件14与其中一个歧管15连接在一起。消耗器13布置在歧管15之间，从而可以与电池堆12的每个电池11连接在一起。由此，消耗器13经由开关元件14顺序地或者一个接一个逐步地连接至电池堆12的每个电池11，从而彻底消耗每个电池11的反应气体。当与消耗器13连接在一起的电池11中的反应气体特别是氧气3被彻底消耗掉时，将消耗器13连接至下一个电池11。相应地，优选通过控制设备16以以下方式控制开关元件14，使得只有一个电池11被消耗器13加载。控制设备16还执行将消耗器13从一个电池11切换至下一个电池的任务。

消耗器13可以由可变电阻器、线性操作的晶体管或者其他类似元件组成，借助所述元件，保障足够程度的恒定电流，直至反应气体被彻底消耗掉。相应地，可以借助控制设备16控制消耗器13的电阻值，使得始终能够调节到最佳值。

以优选方式，在实施本发明的方法期间，借助开关17断开负载9，其中在操作燃料电池1期间，向负载9供电。这样将能够确保在消耗反应气体期间仅有电池11与消耗器13形成电路。

图3描述了根据本发明的方法的另一个变体实施方式。

在这个变体中，测量设备18额外地连接至歧管15，用于检测各个电池11的电压。为此，适当地使用负责如上所述合适地连接消耗器13的开关元件14。但是，在测量电压期间，消耗器13优选地借助开关元件19与歧管15分离，从而确保精确地测量电压。为此，测量设备18与控制设备16之间经由合适的数据线交换数据是有利的。

借助所述测量设备18，用于关闭燃料电池1的方法优选地分若干个步骤进行。首先，在关闭燃料电池1之后，在断开消耗器13的情况下顺序地或逐步地测量各个电池11的电压并且相应地存储所测量的电压。在下一步骤中，依递减的顺序对电池11的储存电压值进行分级。这样导致在接下来的步骤中，具有最高电压值的电池11首先被完全消耗。为此，消耗器13借助开关元件19与歧管15连接在一起并且各个电池11借助开关元件14与歧管15连接在一起，从而形成闭合电路。之后，在接下来的步骤中，具有第二高电压值的电池11被消耗。继续这一过程，直至具有最低电压的电池11被完全消耗。但是，此时，优选地，消耗器13保持连接在歧管15之间，使得只有相关的电池11借助开关元件14连接至歧管15。接下来，电池堆12的所有电池11借助控制设备16根据储存顺序一个接一个地或者逐步地连接至消耗器13。这就意味着具有最多反应气体因此是电压值最高的电池11首先被消耗。由此，可以将电池11受损的风险保持在非常低的水平。

由于测量设备18同样地连接至歧管15，因此测量设备18与消耗器13平行地连接在一起。这将有利地确保在电池11消耗期间持续地测量电压。因此导致消耗器13的电阻值能够相应地适于测量的电压，从而保证基本上恒定的电流，直至氧气3被完全消耗掉。相应地，在反应气体被消耗掉之后，这种电流将自动地再次停止。

因此，根据本发明，其上连接有开关元件14的歧管15必须执行至少两种功能。一方面，确保仅有一个消耗器13单独地与电池堆13的每个电池11连接在一起。另一方面，使得能够使用连接至歧管15的测量设备18来测量每个电池11的电压。可以使用这样得到的测量值一方面在操作期间监测电池电压，另一方面在关闭电池堆13或电池1期间控制消耗器13。为此，当消耗电池11时，需要考虑电池11的电压。

总而言之，为了消耗电池11，可以将电池11经由开关元件14与其中一个歧管15连接在一起，从而与消耗器13形成闭合电路。而且，在消耗电池11期间测量或监测每个电池11的电压，使得能够有利地控制并且温和地消耗每个电池11。缩短消耗电池堆12所需的总时间也是有利的，因为将以非常高的效率消耗每个电池11。

最后应当指出，通常，可以在若干个燃料电池1互相连接的情况下使用本发明，其中，在最简单的情况下，仅仅需要一个消耗器13和任选的测量设备18来实施本发明的方法。

Claims (3)

1.一种用于关闭燃料电池堆（12）的方法，所述燃料电池堆（12）包括串联连接的若干个电池（11），其中，在操作期间供应至少两种反应气体，并且在操作之后中断至少一种反应气体的供应，通过经由至少一个消耗器（13）来耗散电池（11）中由反应气体产生的电流，从而消耗至少一个电池（11）中残留的反应气体，经由歧管（15）和用于每个电池（11）的至少一个开关元件（14），将所述至少一个消耗器（13）与每个电池（11）连接在一起，从而所述至少一个消耗器（13）与每个电池（11）形成单独的电路，使用测量设备（18）测量每个电池（11）的电压，其中其中，根据所测量的每个电池（11）的电压逐步地连接所述至少一个消耗器（13），并且通过经由连接至电池（11）的所述至少一个消耗器（13）来耗散电池（11）中由反应气体产生的电流，从而完全消耗每个单独的电池（11）中的至少一种反应气体，其特征在于，借助控制设备（16）来控制所述开关元件（14），首先将具有最高电池电压的电池连接至所述消耗器（13），然后将具有次高电池电压的电池连接至所述消耗器，直至将具有最低电池电压的最后的电池（11）连接至所述消耗器，其中所述至少一个消耗器（13）由线性操作的晶体管形成，所述晶体管借助所述控制设备（16）根据所述电池（11）的由所述测量设备（18）测得的电池电压进行控制。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在测量电池电压期间，断开所述至少一个消耗器（13）。

3.一种用于关闭燃料电池堆（12）的设备，所述燃料电池堆（12）包括串联连接的若干个电池（11）和供应至少两种反应气体的连接线路，所述设备包括用于耗散电流的至少一个消耗器（13），所述至少一个消耗器（13）可经由两个歧管（15）和至少一个开关元件（14）与每个单独的电池（11）连接在一起，所述电流是在操作之后由每个电池（11）中存在的反应气体产生的，其中，设置有用于测量电池（11）的电压的测量设备（18），其中，所述开关元件（14）与连接有所述测量设备（18）的控制设备（16）连接在一起，并且所述控制设备（16）构造成用于控制每个电池（11）的所述开关元件（14），从而根据所测量的电池电压逐步地连接电池（11），其特征在于，所述消耗器（13）经由开关元件（19）布置在所述歧管（15）之间，并且所述测量设备（18）经由所述歧管（15）与所述消耗器（13）平行地连接在一起，并且借助所述控制设备（16）进行控制，首先将具有最高电池电压的电池连接至所述消耗器（13），然后将具有次高电池电压的电池连接至所述消耗器，直至将具有最低电池电压的最后的电池（11）连接至所述消耗器，其中所述至少一个消耗器（13）由线性操作的晶体管形成，所述晶体管根据所述电池由所述控制设备（16）控制。

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