CN103563147A - 用于燃料电池系统的再循环装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于燃料电池系统（1）的再循环装置（14），其具有：至少一个燃料电池（2），所述燃料电池具有阳极区（3）和阴极区（4）；再循环管道（12），所述再循环管道将阳极区（3）的出口（11）和入口（10）连接起来；液体分离器（15），所述液体分离器设置在再循环管道（12）区域内并具有排放管道（16），其中排放管道具有用于液体和/或气体的排放阀（17）。本发明的特征在于，在排放管道（16）区域内设置有用于控制排放阀（17）的气泡传感器（18）。用于将液体和/或气体从这种再循环装置（14）中排放出去的方法规定，打开排放阀（17），然后根据由气泡传感器（18）检测到的事件关闭该排放阀。

Description

用于燃料电池系统的再循环装置

技术领域

本发明涉及一种根据权利要求1的前序部分中详细定义的类型的用于燃料电池系统的再循环装置。

背景技术

根据一般现有技术已知的是一种利用气态反应物（Edukten）——例如空气和氢气或含有氢气的气体——运行的燃料电池系统。它们一般具有至少一个带有阳极区和阴极区的燃料电池。典型地，上述燃料电池由多个单独的燃料电池堆叠而成，并被称为燃料电池堆。在这种燃料电池中，尤其是在PEM技术的燃料电池中，从阳极区中排出的废气通常被收集在一起，然后与新鲜的气体——尤其是新鲜的氢气——一起重新输送入阳极区。为此就需要再循环装置。

在有关的WO2008/052578A1中，在名称“燃料回路”下说明了这样的再循环装置。在该再循环装置中，通过液体分离器将废气从燃料电池的阳极区中输出来，并与那些新鲜的、流向燃料电池的气体混合在一起，然后重新输送到阳极区。为补偿再循环管道区和阳极区内的压力损失，可设计再循环输送装置。其在现有技术中是已知的，一般被设计为鼓风机和/或气体喷射泵以及射流泵。

现在的情况为，在回送到阳极区入口的废气气流中，惰性气体和水随着时间出现积聚。通过液体分离器将上述水从气流中分离出来，以防止阳极区中出现水的“水满溢”。上述惰性气体，尤其是通过燃料电池膜从阴极区扩散到阳极区中的氮气，随着时间在再循环装置中积聚。由此造成氢浓度的下降。为确保燃料电池的良好性能，必须不时将水和惰性气体从再循环装置的回路中排除出去。

为此，WO2008/052578A1说明了一个排放阀，其位于液体分离器的排放管道中。例如，可通过液体分离器中的液位传感器或者说水位传感器来控制上述排放阀。其中的目的始终是将水完全从回路区域排出，然后完全排出惰性气体，同时不会将太多氢气排放到环境中。

其中发现，一般设计为电容形式的液位传感器很容易造成污染，与此同时，其功能性也是非常不可靠的。

因此，在实践中排放阀通常被设计为采用时间控制运行方式，例如以便不时打开排放阀，并在一定时间后重新关闭。其中通过组合特征曲线或试验来设计时间，以便完全排出水，并在任何情况下都完全排出惰性气体，且同时防止排出太多氢气。因为可以在不同负荷情况下运行燃料电池，且尤其是使用在车辆中时一般可以非常动态地运行燃料电池，所以累积的水量通常变化很大，其中的水量取决于功率以及在阳极区中消耗的氢气。因此在采用纯时间控制的情况下，再循环装置的回路中水量过多通常会导致问题。因为流动的水如果渗入阳极区中可阻塞阳极区的活性面，这对燃料电池的性能是非常不利的。因此在任何情况下都是这样设计时间控制的，即流动水完全被排出。尤其在部分负荷运转下时间间隔则很长，从而额外导致了相对大的氢气损失量，这是不期望的。

另一个用于改进排放阀开关的可能性在于，预先计算存在的水量，方法是预先设定由相应积累的功率导致的在阳极区内产生的水量，并进行累加。一旦在再循环装置的回路中积累了相应的水量，则针对与水量相符的时间开启排放阀。这与纯时间控制的排放阀开启相比就改进了功能。但是总存在波动和误差，因此在这里氢气损失量高于预期，原因在于，出于上文所述原因在开启时间方面总需要保留一定安全性，以便在任何情况下都能将全部水从再循环装置区域排出去。

另一个改善控制的可能性典型地在于，在排放管道中在阀门装置后设置氢气传感器。但是这一方法相对而言更复杂，易受干扰且成本高。

德国专利申请DE102009036197A1中描述了另一种可能性。在此放弃了氢气传感器，取而代之的是将排出的介质流输送到阴极区以及流动到阴极的空气入口区域中。如果氢气进入阴极区，那么会导致燃料电池的电压干扰，这尤其可在部分负荷运行下被识别出。氢气到达阴极侧则显示出：水和惰性气体被排出。可相应地关闭排放阀。

这种方法同样存在决定性缺点，即在此氢气损失量比必要损失量明显更高，这是因为氢气必须首先克服在排放阀和阴极区之间的管道长度，之后才能被检测到。处于这一管道长度中的氢气在每个排出过程中必然会产生无用的损失。

发明内容

本发明的任务在于，提出一种用于燃料电池系统的再循环装置，它可以安全可靠地运行，且结构简单有效。此外，还提出了一种用于将液体和/或气体从这样的再循环装置中排出的方法，通过这一方法将氢气损失降到最低。

根据本发明，通过在装置权利要求1的特征部分中列出的特征来解决上述任务。本装置的有利的进一步设计方案根据从属权利要求得出。此外，通过一种用于从此类再循环装置中排出水和/或气体的、具有权利要求5的特征部分中的特征的方法来解决上述任务。所述方法的有利设计方案根据从属权利要求得出。最后在权利要求10中还另外对此类再循环装置或此类方法的应用进行了说明。

根据本发明的用于燃料电池系统的再循环装置必要地具有再循环管道，它将燃料电池的阳极区的出口与其入口连接起来。在再循环管道区域内设置有液体分离器，它具有排放管道，其中排放管道具有用于液体和/或气体的排放阀。根据本发明，在排放管道区域内设置有气泡传感器，用于控制排放阀。通过上述气泡传感器可将在排放管道中流动的液体与在排放管道中流动的气体简单且非常有效地区分开。通过上述气泡传感器可确定并检测流动液体和跟随其后的气体之间的过渡/转变。该过渡可以用于控制排放阀。在此，尤其可将上述传感器设计为非接触式传感器，优选为超声波传感器、光传感器或类似传感器。这种具有高可靠性和高分辨率的气泡传感器在市场上价格不高，因此能够简单、可靠且低成本地实现用于燃料电池系统的再循环装置。

在此，在根据本发明的再循环装置的特别有益和有利的进一步设计方案中，气泡传感器可以在排放管道区域内沿排放的体积流的流动方向设置在排放阀后面。尤其在排放阀后面的区域内可对液体和气体之间的重要过渡进行检测，由此就能够关闭排放阀并结束排出过程。由此，可将在排出过程中一起排出的氢气量相应地降到最低。

如已提及的，在此尤其可将气泡传感器设计为非接触式气泡传感器。这使得结构具有简单有效的特点，这在降低污染方面特别有利，因为气泡传感器一般只从外部环绕排放管道，因此不接触在排放管道中流动的介质。由此排除了这些介质导致的污染，与现有技术中已知的设置在体积流中的电容式液位传感器相比，气泡传感器的运行安全可靠，且不会导致污染。

根据本发明的方法规定，打开排放阀，然后根据由气泡传感器检测到的事件／情况重新关闭排放阀。

根据本发明的方法规定，根据例如现有技术中任意的已知方法来开启排放阀。例如，可以采用时间控制开启方式，当然作为替代，也可根据再循环装置中的预先计算的水量来开启，或根据燃料电池提供的功率和各时间段中平均的或累加得出的功率之间的特征曲线来开启。如果排放阀以上述已知的方式开启，那么排放阀保持打开状态，直到气泡传感器检测到相应的事件，根据这一事件重新关闭排放阀。

在根据本发明的方法的特别有益和有利的进一步设计方案中规定，对气泡传感器进行校准，以使其对排出的液体和其后排出的气体之间的过渡进行检测。如果这样的事件显示液体也被完全排出，那么应用这一事件将排放阀重新关闭。根据气泡传感器的不同位置（主要为在流动方向上直接在排放阀之后或在排放阀后的体积流方向上的一定距离后）可确保，在任何情况下直到气泡传感器区域内出现气体并且液体完全从液体分离器中排放出去之前，排放阀不会关闭。排放阀可直接关闭，这在排放阀和气泡传感器之间存在相应距离时尤其有利；或者排放阀也可相应地时间延迟地关闭，这在气泡传感器紧接着设置在排放阀之后时特别有利。由此可一直确保一定量的气体一起被排出去，这样除排放出去的水以外，还安全可靠地将惰性气体从再循环装置中排放出去。

在所说明的结构中，气泡传感器和排放阀之间的规定的时间间隔和/或路程距离在此决定了排放出去的气体量和（如情况可能）所逸出的氢气量。为将其降至最低，在根据本发明的特别有益和有利的进一步设计方案中做了如下规定，即在根据排放阀开启与在气泡传感器的区域内检测出气体之间的时间持续以及可能情况下根据排放阀和气泡传感器之间的流动距离在排放阀上已知或测量到压差并且在该排放阀区域内已知流动横截面的情况下，得出排放出的液体量，并且等待取决于排放液体量的规定时间直到排放阀关闭。因为实际的液体量总是取决于燃料电池的实际运行条件、尤其取决于其所产生的功率，所以再循环装置中存在的惰性气体量也取决于排放的液体量。如果根据所排放的液体量——例如通过特征曲线——来确定从排放管道中检测到气体到关闭排放阀之间的规定时间，那么就总能够安全可靠地排放全部惰性气体量，同时除必须量外不会有更多氢气逸出。

根据本发明的再循环装置以及用于排放液体和/或气体的方法非常高效可靠，且可简单、低成本地实现和实施。因此上述再循环装置和方法非常适合使用在燃料电池系统中，其中燃料电池系统在机动车中产生电力，特别是用于驱动目的。

简单、低成本的结构尤其在汽车应用以及与此相关的件数方面具有决定性作用。可靠的功能性是同样重要的，以将维修和保养降到最低并实现机动车的尽可能长的保养间隔时间。

根据本发明的再循环装置以及根据本发明的用于将液体和/或气体从上述再循环装置中排放出去的方法的进一步的有利设计方案由实施例得出，下面参考附图对该实施例进行详细说明。

附图说明

在唯一一张附图中示出了燃料电池系统以及此类燃料电池系统针对本发明所需的部分。

具体实施方式

附图中的示图示出了燃料电池系统1的原理。燃料电池系统1的核心为燃料电池2，它被设计为多个单独燃料电池的堆叠，也就是所谓的燃料电池堆。燃料电池2具有阳极区3和阴极区4，它们由质子传导性的膜5分开。因此，燃料电池2为一个PEM燃料电池。通过空气输送装置6将过滤后的空气作为含氧介质输送到燃料电池2的阴极区4。使用后的废气通过废气管道7从燃料电池系统1中排出。上述废气例如可排放到环境中，通过涡轮机消除压力（entspannt）和/或供给燃烧。但是这对本发明是无关紧要的。

将压缩气体存储器8中的氢气通过阀门和压力调整装置9输送到燃料电池2的阳极区3。新鲜的氢气通过输送管道向阳极区3的入口10流动，并在阳极区3中部分与阴极区4排出的氧气一起转化为电能和水。未转化的氢气通过阳极区3的出口11进入再循环管道12，并通过再循环输送装置13引入到流动到阳极区3的入口10处的新鲜气流区域内。在此，再循环输送装置13可以已知方式设计为再循环鼓风机和/或一个或多个气体喷射泵，它们典型地由从压缩气体存储器8中排出的新鲜气流进行驱动。除再循环管道12和再循环输送装置13外，用于燃料电池系统1的再循环装置14在再循环管道12区域内还具有液体分离器15。液体分离器15用于分离液体，尤其是再循环装置14中的气流中的水。分离出的水积累在液体分离器15中并不时通过具有排放阀17的排放管道16排出，以清空液体分离器15并排出随着时间积累在围绕着阳极区3的再循环装置14区域内的惰性气体。排放管道16将排出的水和/或排放出的气体排放到环境中，或如排放管道16的虚线部分16A所示，排放到流到阴极区4的空气区域中去。

此外，在排放管道16区域中再循环装置14还具有气泡传感器18以及用于评估气泡传感器18的信号并控制排放阀17的电子控制装置19。在此，排放阀17设计为纯粹的开关阀，尤其可设计为电磁阀。可通过控制装置19进行相应控制，以将水和惰性气体从再循环管道12的区域排出。其中排放阀17的开启可以已知方式进行。尤其可采用时间控制方式来开启排放阀17，也就是在上一次开启以来的规定的相应时间段后。备选地或补充地，开启还可以通过以下方式触发，即对由燃料电池2所输出的功率进行整合，并且总是在燃料电池完成一定的工作后开启排放阀17。另一种可能性为，根据预测的在再循环管道区域和阳极区内以及最后在液体分离器15区域内存在的水量来开启排放阀17。例如，可根据燃料电池的功率相应地对上述水量进行计算或估测，这样当预测或预先计算到液体分离器15中的水量达到例如三分之二时，总是能够开启排放阀17。可选地，来自现有技术的同样已知的方法，即生成开启排放阀17的信号，同样也是可设想和可能的。

排放阀17的关闭根据由气泡传感器18检测到的事件来进行。气泡传感器18尤其设计为非接触式气泡传感器，特别是超声波气泡传感器。此类超声波气泡传感器18可设置在排放管道周围，且无需为此中断排放管道。气泡传感器18可通过排放管道16的壁无接触地检测出在排放出的介质流中可能存在的气泡，且为此无需连接气泡传感器18和排放管道16的内部。因此在排放管道16中流动的介质不会造成气泡传感器18的污染。可将气泡传感器18设置的非常敏感，以便例如能够识别出液体流中的最小的气泡。在此需对本结构的再循环装置14中的气泡传感器18进行校准，以识别液体分离器15中的水以及在水之后的惰性气体之间的过渡。当全部的水量或液体量已通过气泡传感器并且水之后的气体（在此尤其指惰性气体）流过排放管道16时，气泡传感器18总是发出事件。然后，控制装置19对所述事件进行相应评估，并且根据评估结果直接或时间延迟地关闭排放阀17。

关闭排放阀17的目的始终是将全部水量以及额外的在再循环管道12和阳极区3中积累的惰性气体排放出去，其中不会有氢气或不会有超过必须量的氢气进入到环境或者流向阴极区4的进气流中。

上述目的在本发明的非常简单的第一实施方式中是通过如下方式实现的，即在通过气泡传感器18检测出从液体到气体的过渡时，总是随之关闭排放阀17。根据气泡传感器18的不同位置（主要是在流动方向上直接在排放阀17之后或在排放阀17后的流动方向上的一小段距离后）在排放阀关闭前，始终已有一定量的气体（在此主要为存在的惰性气体）流过排放阀17。在无法自由选择排放阀17和气泡传感器18之间的排放管道距离以使其可以形成时间偏移的情况下，可在气泡传感器18直接设置在排放阀17后的情况下相应地规定一个时间偏移，作为上述路段的补充或替代。这个结构确保存在的水的总量始终被排出。此外还有少量的气体被一同排出，其中排出气体量可与积累的惰性气体量相符合。

但是在扩展的实施方式中，也可通过气泡传感器18非常准确地检测或确定排出的水量。为此对排放阀17之前和之后的压差进行测量，或者所述压差根据燃料电池系统1的工作压力是已知的。结合排放阀17区域内的已知的流动横截面，可基于排放阀17的开启和气泡传感器18区域内检测到气体之间的时间持续以及可能情况下的排放阀17和气泡传感器18之间的流动距离来确定排放出的液体量。例如可在控制装置19中进行上述确定过程。排放出的液体量与燃料电池2所要求的功率相关联，且在采用时间控制方式来开启排放阀17的情况下，根据对燃料电池2的不同的动态要求，排放出的液体量可能非常不同。通常除产生的水量外，产生的惰性气体量也取决于上述参数。根据产生的水量（可根据上述方式通过排放时间来确定）可简单地确定在再循环管道12和阳极区3中存在的惰性气体量。如果规定了在气泡传感器18中检测到事件后到排放阀17关闭为止的规定时间，也就是根据得出的水量规定了上述时间，那么可确保惰性气体的安全可靠的排放，同时不会将超出必须量的氢气一同排出去。

上述结构特别简单，且不容易出现污染和干扰，因为气泡传感器18以无接触方式运行，并且不接触排放管道16中的介质流。因此介质流不会像在例如使用电容式液位传感器的情况下一样污染气泡传感器。

总而言之，再循环装置14以所说明方式以及所说明的用于将液体和/或气体从再循环装置14区域中排出的方法由此实现了简单和高效的结构，所述结构的运行安全可靠并且可相应地低成本地实现。因此具有上述再循环装置14的燃料电池系统1可优选使用在高负荷系统中，所述高负荷系统以高动态方式运行，并且因为件数多而要求具有低成本。优选的应用方式为在机动车辆中使用燃料电池系统1，尤其用于提供电能以驱动机动车辆。

Claims (10)

1.一种用于燃料电池系统（1）的再循环装置（14），其具有：至少一个利用气态反应物运行的燃料电池（2），所述燃料电池具有阳极区（3）和阴极区（4）；再循环管道（12），所述再循环管道将阳极区（3）的出口（11）和入口（10）连接起来；液体分离器（15），所述液体分离器设置在再循环管道（12）区域内并具有排放管道（16），其中所述排放管道具有用于液体和/或气体的排放阀（17），其特征在于，在排放管道（16）区域内设置有用于控制排放阀（17）的气泡传感器（18）。

2.根据权利要求1所述的再循环装置（14），其特征在于，气泡传感器（18）在排放管道（16）区域内沿排放的体积流的流动方向设置在排放阀（17）后面。

3.根据权利要求1或2所述的再循环装置（14），其特征在于，气泡传感器（18）设计为非接触式气泡传感器（18），特别是超声波传感器。

4.根据权利要求1、2或3所述的再循环装置（14），其特征在于，气泡传感器（18）从外部环绕排放管道（16）。

5.一种用于将液体和/或气体从根据权利要求1至4中任一项所述的再循环装置（14）中排放出去的方法，其特征在于，打开排放阀（17），然后根据由气泡传感器（18）检测到的事件重新关闭所述排放阀。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，对气泡传感器（18）进行校准，以使其对排出的液体和其后排出的气体之间的过渡进行检测。

7.根据权利要求5或6所述的方法，其特征在于，在检测到事件后以时间延迟的方式关闭排放阀（17）。

8.根据权利要求5、6或7所述的方法，其特征在于，在根据排放阀（17）开启与在气泡传感器（18）的区域内检测出事件之间的时间持续以及可能情况下根据排放阀（17）和气泡传感器（18）之间的流动距离在排放阀（17）区域内已知或测量到压差或已知流动横截面的情况下，得出排放出的液体量，其中等待在事件和排放阀（17）的关闭之间的取决于排放液体量的规定时间。

9.根据权利要求5至8中任一项所述的方法，其特征在于，根据燃料电池的累加的功率值或借助计算出的在再循环装置（14）中预期存在的液体量，采用时间控制方式来开启排放阀（17）。

10.一种对根据权利要求1至4中任一项所述的再循环装置（14）和/或根据权利要求5至9中任一项所述的方法在燃料电池系统（1）中的应用，通过燃料电池系统在机动车辆中产生电力，尤其用于驱动。