CN107743661A - 用于利用人造空气操作燃料电池的方法和装置 - Google Patents

用于利用人造空气操作燃料电池的方法和装置 Download PDF

Info

Publication number
CN107743661A
CN107743661A CN201680028286.1A CN201680028286A CN107743661A CN 107743661 A CN107743661 A CN 107743661A CN 201680028286 A CN201680028286 A CN 201680028286A CN 107743661 A CN107743661 A CN 107743661A
Authority
CN
China
Prior art keywords
gas
anode
cathode
fuel cell
flow path
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
Application number
CN201680028286.1A
Other languages
English (en)
Other versions
CN107743661B (zh
Inventor
奎林·梅德尔
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Pm Fuel Cell Ltd By Share Ltd
Proton Motor Fuel Cell GmbH
Original Assignee
Pm Fuel Cell Ltd By Share Ltd
Priority date (The priority date 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 date listed.)
Filing date
Publication date
Family has litigation
First worldwide family litigation filed litigation Critical https://patents.darts-ip.com/?family=55970948&utm_source=google_patent&utm_medium=platform_link&utm_campaign=public_patent_search&patent=CN107743661(A) "Global patent litigation dataset” by Darts-ip is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.
Application filed by Pm Fuel Cell Ltd By Share Ltd filed Critical Pm Fuel Cell Ltd By Share Ltd
Publication of CN107743661A publication Critical patent/CN107743661A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN107743661B publication Critical patent/CN107743661B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

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
    • H01M8/04201—Reactant storage and supply, e.g. means for feeding, pipes
    • 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
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04694—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by variables to be controlled
    • H01M8/04791—Concentration; Density
    • H01M8/04798—Concentration; Density of fuel cell reactants
    • 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
    • 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
    • H01M8/04097—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with recycling of the reactants
    • 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
    • H01M8/04119—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with simultaneous supply or evacuation of electrolyte; Humidifying or dehumidifying
    • H01M8/04156—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with simultaneous supply or evacuation of electrolyte; Humidifying or dehumidifying with product water removal
    • 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
    • H01M8/04119—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with simultaneous supply or evacuation of electrolyte; Humidifying or dehumidifying
    • H01M8/04156—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with simultaneous supply or evacuation of electrolyte; Humidifying or dehumidifying with product water removal
    • H01M8/04164—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with simultaneous supply or evacuation of electrolyte; Humidifying or dehumidifying with product water removal by condensers, gas-liquid separators or filters
    • 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
    • H01M8/04223—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids during start-up or shut-down; Depolarisation or activation, e.g. purging; Means for short-circuiting defective fuel cells
    • 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
    • H01M8/04223—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids during start-up or shut-down; Depolarisation or activation, e.g. purging; Means for short-circuiting defective fuel cells
    • H01M8/04225—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids during start-up or shut-down; Depolarisation or activation, e.g. purging; Means for short-circuiting defective fuel cells during start-up
    • 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
    • H01M8/04291—Arrangements for managing water in solid electrolyte fuel cell systems
    • 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
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
    • H01M8/0432—Temperature; Ambient temperature
    • 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
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
    • H01M8/0432—Temperature; Ambient temperature
    • H01M8/04328—Temperature; Ambient temperature of anode reactants at the inlet or inside the fuel cell
    • 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
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
    • H01M8/0432—Temperature; Ambient temperature
    • H01M8/04335—Temperature; Ambient temperature of cathode reactants at the inlet or inside the fuel cell
    • 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
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
    • H01M8/0438—Pressure; Ambient pressure; Flow
    • 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
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
    • H01M8/0438—Pressure; Ambient pressure; Flow
    • H01M8/04388—Pressure; Ambient pressure; Flow of anode reactants at the inlet or inside the fuel cell
    • 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
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
    • H01M8/0438—Pressure; Ambient pressure; Flow
    • H01M8/04395—Pressure; Ambient pressure; Flow of cathode reactants at the inlet or inside the fuel cell
    • 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
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
    • H01M8/0444—Concentration; Density
    • H01M8/04447—Concentration; Density of anode reactants at the inlet or inside the fuel cell
    • 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
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
    • H01M8/0444—Concentration; Density
    • H01M8/04455—Concentration; Density of cathode reactants at the inlet or inside the fuel cell
    • 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
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04694—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by variables to be controlled
    • H01M8/04791—Concentration; Density
    • 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
    • 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
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M2250/00—Fuel cells for particular applications; Specific features of fuel cell system
    • H01M2250/20—Fuel cells in motive systems, e.g. vehicle, ship, plane
    • 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
    • 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
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T90/00—Enabling technologies or technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02T90/40—Application of hydrogen technology to transportation, e.g. using fuel cells

Landscapes

  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)
  • Electric Propulsion And Braking For Vehicles (AREA)

Abstract

本发明涉及一种燃料电池系统(1)，所述燃料电池系统(1)适合通过包含氧和惰性气体的阴极操作气体以及包含氢和惰性气体的阳极操作气体来操作。本发明还涉及一种由燃料电池系统(1)操作的负载系统和一种用于操作燃料电池系统(1)的方法。在根据本发明的方法中，操作气体的各成分被分开地储存，并且在燃料电池系统的操作期间被按照需要的量部分混合，其中操作气体的惰性气体部分被连续地重新循环。在燃料电池系统的操作期间，既不从环境吸收气体，也不将气体排出到环境，并且不将燃料电池废气储存在燃料电池系统或负载系统中。在替代变型中，仅阳极操作气体被混合和重新循环，而阴极操作气体被从环境抽取并且阴极废气被排出到环境。

Description

用于利用人造空气操作燃料电池的方法和装置
技术领域
本发明的主题是一种用于利用包含惰性气体成分的操作气体操作燃料电池系统的方法；一种可利用包含惰性气体成分的操作气体操作的燃料电池系统；和一种包括这种燃料电池系统的器械系统。在这种方法中，在燃料电池操作期间，燃料电池系统和器械系统、燃料电池废气既不被释放到环境中，也不被储存。在替代实施例中，在燃料电池操作期间，至少阳极废气既不被释放到环境中，也不被储存。
背景技术
在燃料电池中，通过电解水的逆过程来从化学能产生电能。通过连续地提供氧化物质(氢)和氧化剂(氧)并且连续地排出氧化产物，单个电池连续地提供电流。原则上，不同类型的燃料电池、它们的成分和操作模式是已知的。
燃料电池适合为任何器械产生电流。它们以环境友好的可靠的方式并且以高度的效率提供需要的电力。
通常以空气的形式提供反应气体之一，氧，在最简单的情况下，从环境吸收空气。在反应之后，(包括产物水的)可能剩余的氧(更确切地说，耗尽氧的空气)被释放回到环境中。必须从储存器(诸如，压缩气瓶)获得另一反应气体，氢。在反应之后，未消耗的氢不能被简单地释放回到环境中。因此，针对燃料电池的氢的供给必须局限于在阳极消耗的量-即，燃料电池在阳极侧在终端模式下操作-或者阳极废气被重新循环，和/或阳极废气中的未消耗的氢被用于另一目的，例如用于操作燃烧器。
燃料电池的一些应用领域要求在燃料电池操作期间不存在与环境的直接接触，例如封闭系统(诸如，水下交通工具)中的应用。对于这种应用，适用于氢的情况也同样适用于反应气体氧：必须从储存器(诸如，压缩气瓶)提供氧，并且可能未消耗的氧不能在反应之后被释放回到环境中。从反应获得的任何产物水也必须保留在封闭系统中。
如果封闭系统中的燃料电池不利用纯氢和纯氧操作，而是如果提供的气体中的至少一种气体也包含惰性部分(即，不在燃料电池中消散的部分)，则出现问题。这通常是在阴极侧的情况。如果以纯氧形式或以高浓度形式使用氧，则阴极催化剂将会迅速地氧化，这将会导致退化并且最终破坏催化剂并且破坏燃料电池反应。推荐按照不超过50体积百分比的浓度使用氧。
由于这个原因，燃料电池中的氧通常以作为操作气体的空气的形式被使用。自然空气包含仅低于21体积百分比的氧、大约78体积百分比氮，并且除此之外，主要包括氩、二氧化碳和非常少量的各种其它惰性气体。
使用空气或通常使用包含惰性成分的气体的缺点在于：这些惰性成分离开燃料电池而不变化，以使得在封闭系统中的燃料电池操作期间，大量废气积累，必须在某处以压缩或液化形式(如果适用)收集所述废气。然而，提供足够尺寸的废气收集容器是不可行的，并且对废气进行压缩甚至液化将会浪费大部分的产生的燃料电池能量。
如果燃料电池例如利用来自压缩气瓶的自然空气在封闭系统中操作，则至少79体积百分比的提供的气体(至少惰性部分)将不会消散。即使废气仍然包含大部分的未消散的氧，废气也不能被重新循环，因为以这种方式，随着增加的操作时间，更多惰性气体将会逐渐地被提供给燃料电池。燃料电池性能将会下降，并且由于气路中的惰性气体的增加的富集，燃料电池反应将会在某个时点停止。
迄今为止，无法在封闭系统中利用包含惰性部分的操作气体(诸如，空气)操作燃料电池，因为在系统的温度和压力条件下容纳惰性燃料电池废气将会需要太多储存空间和/或对惰性废气进行压缩或液化将会需要太多能量(没有完全解决空间问题)。
发明内容
本发明的目的因此在于允许在封闭器械系统中(尤其在具有有限空间的封闭器械系统(诸如，水下交通工具)中)利用包含惰性部分的操作气体(诸如，空气)操作燃料电池。
特别地，本发明的目的在于提供一种用于在封闭器械系统中(特别地，在具有有限空间的封闭器械系统(诸如，水下交通工具)中)操作燃料电池的方法和装置，其中包含惰性部分的操作气体(诸如，空气)被提供给燃料电池。
本发明的另一目的在于提供一种燃料电池操作的器械系统(诸如，交通工具)，所述器械系统使用包含惰性气体成分的操作气体(诸如，空气)操作燃料电池，而不在燃料电池操作期间将燃料电池废气释放到环境中，并且不具有用于储存燃料电池废气的装置。
本发明的另一目的在于提供一种方法、装置和器械系统，其中环境空气被用作阴极操作气体，并且在燃料电池反应之后，被释放到环境中作为阴极废气，而阳极废气既不在燃料电池操作期间被释放到环境中，也不被储存。
所述目的由燃料电池系统、器械系统和用于操作燃料电池系统的方法实现，所述燃料电池系统、器械系统和方法中的每一个具有如独立权利要求中所限定的特征。本发明的实施例被限定在各从属权利要求中。
根据本发明的燃料电池系统和根据本发明的器械系统是“封闭紧凑系统”。它们是封闭系统，因为它们在它们的操作期间既不从环境吸收物质也不将物质释放到环境中，并且它们是紧凑系统，因为它们不产生废气(就“排出的气体”而言)并且因此不具有用于储存具有气体或液化形式的废气的储存器。这使得可在具有有限空间的器械系统中显著节省空间。根据本发明，通过在不早于燃料电池系统的操作期间的时间混合来自各部件的燃料电池操作气体(除了反应气体氧和氢之外，每种燃料电池操作气体也包含惰性气体成分)并且通过重新循环包含惰性气体并且可能也包含未消耗的反应气体的燃料电池废气，实现这一点。通过连续地补充消耗的反应气体，连续地重新产生能够被提供给燃料电池的操作气体。根据本发明的燃料电池系统能够因此利用非常少量的惰性气体运行，因为在燃料电池操作的开始引入的惰性气体的量被连续地循环。这防止不可用废气的产生，所述不可用废气将会必须被储存或排出。产生的唯一反应产物是水，水能够被以液体形式储存，而无需用于液化的任何特定处理，并且因此需要非常小的空间。
在根据本发明的燃料电池系统的一个变型中，仅阳极废气被重新循环，而阴极废气被释放到环境中。
在下面，解释用于描述本发明的术语：
阳极操作气体和阴极操作气体分别是提供给燃料电池的阳极和阴极的气体。所述操作气体包含反应气体和惰性气体部分(惰性气体)，并且可能包含气态水。
阳极反应气体和阴极反应气体是参与燃料电池反应的操作气体的成分。在本发明中，阳极反应气体是氢并且阴极反应气体是氧。
除了可能包含的气态水之外，惰性气体成分(惰性气体)分别是阳极操作气体和阴极操作气体的成分，所述惰性气体成分(惰性气体)不参与燃料电池反应，即它不在燃料电池中消散并且离开燃料电池作为燃料电池废气的一部分。
阳极废气和阴极废气是在操作气体已发生反应之后离开燃料电池的物质。燃料电池废气还可包含液体成分，诸如反应水。
燃料电池装置包括一个或多个燃料电池，所述一个或多个燃料电池可形成一个或多个燃料电池堆。
燃料电池系统是燃料电池装置，包括操作燃料电池所需的部件，诸如气体储存器、管子、泵、阀等。
器械系统是静止或移动设备(诸如，交通工具)，所述静止或移动设备包括燃料电池系统并且通过至少部分地由燃料电池系统产生的电能来操作。
封闭系统(燃料电池系统或器械系统)是移动或静止系统，其中在将要由所述系统执行的任务期间不存在从环境接收物质(诸如，操作气体)或将物质(诸如，废气)释放到环境中的可能性。
紧凑系统(紧凑燃料电池系统或紧凑器械系统)是移动或静止系统，除了以液体形式储存的水之外，所述系统没有以气体或液体形式储存燃料电池废气的可能性。
在封闭紧凑系统中，既不存在在燃料电池的操作期间从环境(例如，大气)接收物质或将其释放到环境中的可能性，也不存在储存燃料电池废气的可能性(除了具有液体形式的水之外)。某些器械系统中的空间情况可能需要不在燃料电池装置附近布置燃料电池系统的各部件(诸如，气体容器)。关于在器械系统中或在器械系统上容纳部件，这种系统分别被视为紧凑封闭燃料电池系统或紧凑封闭器械系统。
在阳极侧封闭的紧凑系统是燃料电池系统或器械系统，所述系统没有在燃料电池的操作期间从环境吸收阳极操作气体或将阳极废气释放到环境中或储存阳极废气(除具有液体形式的水之外)的可能性。这种“半封闭”紧凑系统组合可管理性的优点与它能够在封闭空间中容易地操作的优点。
根据本发明的燃料电池系统的核心元件是包括至少一个燃料电池的燃料电池装置。通常，燃料电池装置包括以一个或多个燃料电池堆的形式布置的多个燃料电池。在本发明中，优选地使用具有高分子电解质薄膜的燃料电池。以已知方式构成燃料电池。每个燃料电池具有在阳极侧流经燃料电池的阳极操作气体和在阴极侧流经燃料电池的阴极操作气体。在本发明中，各区域被称为阴极流动区域和阳极流动区域。
封闭燃料电池系统包括两个封闭气路，所述两个封闭气路都涉及燃料电池装置。阴极气路包括阴极操作气体流路、阴极流动区域和阴极废气流路；并且阳极气路包括阳极操作气体流路、阳极流动区域和阳极废气流路。在阴极操作气体流路中，新鲜阴极操作气体流至燃料电池装置，流经燃料电池装置的阴极流动区域(即，所述装置的所有燃料电池的阴极流动区域)，并且最终，阴极废气在阴极废气流路中离开燃料电池装置。以相同的方式，在阳极操作气体流路中，新鲜阳极操作气体流至燃料电池装置，流经燃料电池装置的阳极流动区域(即，所述装置的所有燃料电池的阳极流动区域)，并且最终，阳极废气在阳极废气流路中离开燃料电池装置。
在半封闭系统中，仅阳极气路是封闭的。在阴极侧，所述系统包括开放阴极气体流路，所述开放阴极气体流路包括阴极操作气体流路、阴极流动区域和阴极废气流路。阴极操作气体流路具有流经那里的空气，优选地从环境吸收所述空气并且经用于提供空气的装置(诸如，风扇、鼓风机或通风机)提供所述空气。
通常，阴极操作气体包括阴极操作气体的给定氧浓度，即氧浓度的预定标称值，所述预定标称值小于100体积百分比，优选地20至50体积百分比，尤其优选地30至40体积百分比。阳极操作气体包括阳极操作气体的给定氢浓度，即氢浓度的预定标称值，所述预定标称值是优选地50至100体积百分比，尤其优选地100体积百分比。在本发明中，由于局部压力补偿，阴极操作气体浓度需要近似与阳极操作气体浓度相同。本发明的封闭系统中的良好折衷是将氧浓度和氢浓度都设置为大约40至50体积百分比，尤其优选地50体积百分比。在半封闭系统中，阴极操作气体中的氧浓度的标称值由空气的氧含量(即，大约21体积百分比)确定。氢浓度必须因此也被设置为大约21体积百分比。
阴极废气是耗尽氧或不再包含任何氧，并且阳极废气是耗尽氢或不再包含任何氢。然而，例如作为燃料电池反应的结果，阳极废气和阴极废气包含气态和液体水。阳极废气和阴极废气是不再适合燃料电池反应的“消耗的”气体。因此，它们将会必须被从所述系统排出，然而，这在某些情况下是不可能的。根据本发明，在封闭系统中，废气被提供给各操作气体(重新循环)，即阴极废气流路和阴极操作气体流路以及阳极废气流路和阳极操作气体流路在转换点“相交”以便诸如形成封闭阴极气路和封闭阳极气路。在没有以下解释的根据本发明的措施的情况下，这种重新循环将会在阴极气路和阳极气路中迅速地引起惰性气体成分和水的强烈富集，以使得燃料电池反应将会被中断。在半封闭系统中，仅阳极废气被重新循环，而阴极废气被从开放阴极废气流路释放到环境中。
根据本发明，在封闭系统中的阴极操作气体流路中，氧浓度因此被定期地或连续地确定，并且在阳极操作气体流路中，氢浓度被定期地或连续地确定。通过从氧储存器提供氧直至达到阴极操作气体流路中的氧的所述预定标称值，并且通过从氢储存器提供氢直至达到阳极操作气体流路中的氢的所述预定标称值，分别补偿相对于氧浓度或氢浓度的所述预定标称值的差。阴极气路中的氧的提供点定义阴极废气流路转换为阴极操作气体流路的转换点。阳极气路中的氢的提供点定义阳极废气流路转换为阳极操作气体流路的转换点。在半封闭系统中，能够假设氧浓度是大约21体积百分比并且补充足够氢以在阳极操作气体流路中维持21体积百分比的氢浓度，或者精确地确定氧浓度并且相应地补充氢，无论哪种方式都是优选的。
可例如通过使用理想气体定律来确定待补充的氧和氢的量(在半封闭系统中，仅需要补充氢，不需要重新补充氧，因为新鲜空气不断地进入所述系统)，这为主要包括氢和惰性气体或主要包括氧和惰性气体的气体混合物提供良好的结果。阴极气路和阳极气路的体积是已知的，并且气路中的压力和温度能够被测量。另外，阴极气路和阳极气路中的惰性气体的量(即，由阴极气路和阳极气路中的惰性气体施加的惰性气体局部压力)是已知的。氧浓度的所述预定标称值对应于阴极操作气体流路中的标称值，并且氢浓度的所述预定标称值对应于阳极操作气体流路中的标称压力。阴极操作气体流路中的标称压力和测量压力之差提供将要重新补充的氧的量，并且阳极操作气体流路中的标称压力和测量压力之差提供将要重新补充的氢的量。在本发明中，提供将测量压力与预定标称压力进行比较以及提供需要的气体量的合适的装置。这种合适的装置是例如朝着阴极气路的氧流路中以及朝着阳极气路的氢流路中的减压器。可在开始计算在反应期间产生的产物水或气体混合物中的气态产物水的部分，并且可在设置需要的惰性气体压力时考虑所述产物水或所述气态产物水的部分。
阳极气路中以及阴极气路或阴极流路中的标称压力分别是相同的，并且优选地处于300和1000hPA之间的范围中(正压)。温度也是相同的，并且优选地处于54℃和65℃之间的范围中。
在半封闭系统中，通过在阴极废气流路中提供在达到标称压力时使该流路通向外部的装置，确保阴极气体流路中的预期标称压力的维持，并且同时，防止可能的从外部到阴极废气流路的流动。合适的装置是例如止回阀，诸如弹簧加载止回阀或节流阀。在半封闭系统中，优选地经同时在阴极气路中产生流量的装置(诸如，鼓风机)提供操作气体空气。不需要重新补充氧。如上针对封闭系统所述重新补充氢。
作为使阴极气路和阳极气路中的压力保持不变的替代方案，质量流量可保持不变。为了这个目的，质量流量计被布置在阴极气路和阳极气路中。通过减压器，氧(仅在封闭系统中)和氢分别随后被重新补充，以使得阴极气路中以及阳极气路中的质量流量保持不变。如果替代于质量流量计使用质量流量调节器，则不需要减压器。可随后通过质量流量调节器来提供需要的量的各气体。
通过引导阴极废气和阳极废气通过用于分离液体水的装置，防止封闭系统的阴极气路和阳极气路中的水的连续富集。这种合适的装置是例如水分离器。液体水在水分离器中积累，而惰性气体、气态水和可能存在于废气中的未消耗的氧或未消耗的氢分别被重新循环到阴极操作气体流路和阳极操作气体流路中。在半封闭系统中，阴极气体流路中的水分离器是可选的。
为了燃料电池的可靠而平稳的工作，使阴极操作气体和阳极操作气体尽可能均匀地分布在燃料电池装置的所有燃料电池中并且分布在阴极流动区域和阳极流动区域的所有区域中并且特别地使阴极流动区域和阳极流动区域保持没有液体水也是非常重要的。根据本发明，通过在阴极气路和阳极气路中产生合适的气体的流量来实现这一点。阴极气路和阳极气路中的每个气路中的合适的流量是例如2至4m/s，优选地3m/s。为了保持流量，重新循环泵可例如被布置在阴极废气流路中，并且重新循环泵可例如被布置在阳极废气流路中。重新抽吸气体也提供气体成分的均匀混合物。在未例如通过重新循环泵来在阴极气路和阳极气路中人工创造流动的情况下，消耗的氧将会被重新补充的氧替换并且消耗的氢将会被重新补充的氢替换，但重新补充的反应气体的分布将会缓慢并且非常不均匀，并且产生的反应水将不会被传送到燃料电池之外。燃料电池将会几乎按照终端操作方式操作。燃料电池将会最终被“淹没”，并且燃料电池反应将会停止。在半封闭系统中，诸如布置在阴极气体流路中的泵的装置是可选的，因为通常本身引起流动的装置(例如，鼓风机)将会被用作空气源。
从一开始操作重新循环泵。在操作期间，泵性能优选地根据能量产生按照规则间隔(例如，按照大约3安培小时的间隔)暂时地增加。这是为了防止在“死角”的气体的积累或水的积累。替代于重新循环泵，可使用喷嘴(例如，文氏管喷嘴)。
如果燃料电池系统长期(例如，几天或几周)供给能量，则更大量的反应水将会积累。在这种情况下，在废气流路中采用用于分离水的装置是合理的，以使得分离的液体水能够被排出并且在分开的更大的收集容器中被收集。为此，废气流路中的水分离器例如装备有水位开关和放水阀。如果水分离器中的水已达到某个水位，则放水阀被打开预定时间(例如，大约2秒)，并且离开的水被引导到优选地由水泵支撑的更大的收集容器中。为了确保没有气体能够通过水分离器从废气流路离开，及时关闭放水阀的水位开关还可被布置在水分离器的出口。放水阀和各水位开关可被布置在阳极侧和/或阴极侧。在半封闭系统中，在阴极侧的水分离器是可选的。
如上所述，燃料电池装置利用阴极操作气体和阳极操作气体操作，阴极操作气体中的氧浓度具有预定标称值并且阳极操作气体中的氢浓度也具有预定标称值。然而，在燃料电池系统能够利用所述预定浓度的氧和氢开始操作之前，必须首先设置这些浓度。为此，每次使封闭燃料电池系统操作时，并且在使燃料电池装置操作之前，阴极气路和阳极气路被利用操作燃料电池系统所需的量的惰性气体填充。又可通过理想气体定律来计算需要的惰性气体的量，因为阴极气路和阳极气路的体积以及氧浓度和氢浓度的预期标称值以及燃料电池系统的预期操作条件和填充温度是已知的。在阴极气路和阳极气路中循环的在燃料电池反应期间产生的气态水的量也是已知的。可在开始由所述系统的电子设备计算这个量，并且在设置需要的惰性气体压力时考虑这个量。
在燃料电池系统的预定操作条件(压力、温度)下，封闭系统的阴极气路中的气体具有预定压力(标称压力)和预定温度。阴极操作气体中的预期或预定氧浓度(标称氧浓度)对应于阴极操作气体中的给定氧局部压力(标称氧局部压力)和给定惰性气体局部压力(标称惰性气体局部压力)。类似地，阳极气路中的气体具有预期(即，预定)氢浓度(标称氢浓度)，所述预期(即，预定)氢浓度(标称氢浓度)对应于阳极操作气体中的给定氢局部压力(标称氢局部压力)和给定标称惰性气体局部压力。
在使燃料电池装置操作之前，或者在开始从封闭系统的燃料电池装置抽取电流之前，从阴极气路和阳极气路的各成分产生阴极气路和阳极气路中的操作气体混合物，所述阴极气路和阳极气路的各成分分别被存储在合适的储存器(例如，压缩气瓶)中。存在用于惰性气体、氢和氧的分开的储存器。
氮优选地用作惰性气体。在下面，利用氮作为惰性气体描述本发明，即阴极操作气体是“人造空气”。然而，本发明绝不局限于氮作为惰性气体。在封闭系统中，可替代地使用其它惰性气体(诸如，稀有气体)。优选稀有气体是氦，氦能够实现特别高的燃料电池性能，因为与例如氮的存在相比，氦的存在在更小程度上妨碍燃料电池反应。相同的惰性气体被用在阴极气路和阳极气路中。当使用自然空气时，惰性气体当然总是氮。
在开始操作之前，气路处于大气压下并且填充有惰性气体。如果必要，则在使气路操作之前，气路填充有在操作中使用的惰性气体(例如，氮)。然后，阴极气路被利用惰性气体(这里，氮)填充，直至氮压力对应于标称惰性气体局部压力。通过这样操作，必须考虑，在填充过程期间，温度通常不同于工作温度；通常，温度较低。在阴极气路中设置的氮压力需要被相应地调整。在填充阴极气路的同时，阳极气路被利用氮填充，即在阳极气路中设置与阴极气路中的氮压力相同的氮压力，反之亦然。必须近似同时填充两个气路，因为如果所述两个气路中的仅一个气路被利用氮填充，则燃料电池中的氮将会通过燃料电池薄膜扩散到具有较低氮局部压力的一侧。这个过程将会持续，直至达到局部压力平衡，即氮压力将会在薄膜的两侧是相同的。
例如在提供氧和氢的同一个点，从氮储存器经惰性气体流路将氮提供到阴极气路和阳极气路中。替代地，其它提供点是可能的。与设置标称操作气体压力类似地，可设置需要的氮局部压力，即优选地在燃料电池气路(阴极气路和阳极气路)中测量压力和温度，然后计算氮局部压力在测量的温度必须是多高，然后经诸如惰性气体流路中的减压器的装置，测量的氮压力被与计算的标称氮局部压力进行比较，然后继续提供氮，直至测量的氮压力对应于标称氮压力。替代地，可测量质量流量，并且例如，质量流量调节器可被用作用于提供惰性气体的装置。
然后，氧和氢分别被提供到阴极气路和阳极气路中，直至考虑到在填充过程期间的温度，分别达到阴极操作气体的标称压力或阳极操作气体的标称压力。应该优选地基本上同时提供氧和氢以使燃料电池中的阳极侧和阴极侧之间的差压保持尽可能低。设置定义的氢和氧的浓度比。设置的惰性气体局部压力和设置的操作气体压力(阳极操作气体压力、阴极操作气体压力)之间的差压对应于反应气体的局部压力(氧局部压力、氢局部压力)。氢局部压力和氧局部压力之比对应于氢和氧的浓度比。在本发明中，氢和氧的局部压力近似相同。由于在反应期间消耗的氢是消耗的氧的两倍，所以在燃料电池操作期间，相应更高的量的氢需要被重新补充。
在设置燃料电池操作气体中的氢和氧的标称浓度之后，能够使燃料电池装置操作，即能够开始连续操作并且能够抽取电流。
在包括封闭阳极气路和开放阴极气路的半封闭系统中，仅需要在使燃料电池系统操作之前在阳极气路中设置所述预定氢浓度。这个氢浓度对应于在阴极侧用作操作气体的环境空气中的氧浓度。在操作条件下，类似于封闭系统，相同的温度和标称操作气体压力存在于阳极气路和阴极气体流路中。
在半封闭系统中，空气被首先提供到阴极气体流路中，并且氮被同时提供到阳极气路中，由此设置与阴极气体流路中的空气中的氮局部压力对应的氮局部压力。随后，氢被提供到阳极气路中，直至阳极气路和阴极气体流路中的压力相同。该过程大体上与以上针对封闭系统描述的过程相同，不同之处在于：仅能在阳极侧执行上述步骤，而在阴极侧，空气连续地流经阴极气体流路。利用这个过程，在阳极气路和阴极气体流路之间存在初始压力差，然而，这处于可容忍范围中。
在关闭燃料电池系统之后，气体留在气体流路中并且液体水留在水收集容器中。在使燃料电池系统重新操作之前，水应该分别被从水收集容器去除，并且优选地，气体也应该分别被从阴极气路或阴极气体流路以及从阳极气路去除。为此，合适的开口或阀可被布置在容器中或布置在气体流路中。优选地，在两次使用之间，更确切地说，在燃料电池系统的两个操作时间之间，阴极气路或阴极气体流路和阳极气路被利用惰性气体填充以便去除可能残留的水并且为系统的重新启动提供合适的气体填充。
如果燃料电池系统将要按照相对较小的正压或相对较小的惰性气体浓度操作，则在使气路操作之前存在于气路中的惰性气体的量可能太大，即，将要设置的标称惰性气体局部压力小于大气压或环境压力。在这种情况下，气路(或者在半封闭系统的情况下，阳极气路)被抽空直至达到预期标称惰性气体局部压力，或者被抽空直至达到比将要设置的标称惰性气体局部压力低的压力，然后通过提供惰性气体来设置预期标称惰性气体局部压力。
为了将尽可能少的氢释放到环境中(即，释放到大气中)，所谓的泄漏电阻器可被连接在阳极端板和阴极端板之间。可连接的泄漏电阻器使残留在系统中的反应气体在关闭系统之后被消耗，并且使基本上惰性气体残留在阴极气路和阳极气路中。
由于安全原因，优选地在阴极气路或阴极气体流路和/或阳极气路中(优选地，在所述两种气路和流路中)提供压力开关，所述压力开关监测阴极操作气体和阳极操作气体的压力并且在超过系统的最大压力的情况下通过安全电路切换为安全模式。当超过最大压力时，气体供给被中断。气体供给的中断被燃料电池系统的安全逻辑检测到，并且系统随后被关闭。
作为另外的安全装置，停止阀可被布置在分别从气体储存器通向阴极气路和阳极气路的气体流路中，以便防止在错误的时间点提供各气体(氢和/或氮和/或氧)。另外的合适的安全装置是止回阀，所述止回阀被布置在从气体储存器(氢和/或氮和/或氧)通向阴极气路和阳极气路中的气体提供点的气体流路中，以便在惰性气体和氧被错误地提供到阴极气路中(在封闭系统中)或者惰性气体和氢被错误地提供到阳极气路中的情况下防止操作气体回流。
根据本发明的封闭和半封闭系统在阳极侧大体上是相同的。特别地，二者都优选地在阳极侧具有一个或多个下面的特征，所述特征可被按照任何预期组合彼此组合。
燃料电池系统包括用于在阳极气路的转换点将来自氢流路的氢或来自氮流路的氮提供到阳极气路中的装置。
用于将氮提供给阳极气路的装置是氮流路中的减压器，和/或用于将氢提供给阳极气路的装置是氢流路中的减压器。
阳极气路包括用于在阳极气路中产生比环境压力低的压力的装置。
燃料电池系统包括用于储存液体水的至少一个容器，所述至少一个容器优选地经水泵以灵活方式连接到用于从阳极废气分离液体水的装置。
燃料电池系统还包括用于从阳极废气分离液体水的装置中的水位开关和/或用于从阳极废气流路排出气体的装置。
燃料电池系统包括从氮源通向阳极气路的氮流路中的止回阀和/或停止阀。
燃料电池系统包括阳极气路中的压力开关。
在燃料电池系统的操作期间，在阳极气路中存在300至1000hPa的正压，和/或阳极气路中的气体流量是2至4m/s。在阳极气路中以及在阴极气路或阴极气体流路中，操作压力和气体流量分别是相同的。
根据本发明的燃料电池系统主要适合为任何器械提供电能。在应该或必须封闭的所有器械系统(无论是由于技术原因还是由于其它原因)中(诸如，在将要在封闭空间或交通工具中使用的装置中，特别地，在水下交通工具中)，根据本发明的燃料电池系统的优点尤其有用。
附图说明
在下面，将通过附图来进一步示出本发明。需要注意的是，附图既不按照比例绘制，也不成比例。另外，仅示出理解本发明所需的特征。应该理解，可存在另外的特征，并且本发明的工作并不需要示出的所有特征。在附图中：
图1显示根据本发明的燃料电池系统的实施例的示意性示图，
图2显示根据本发明的燃料电池系统的替代实施例的示意性示图，并且
图3显示根据本发明的燃料电池系统的另一替代实施例的示意性示图。
具体实施方式
图1显示根据本发明的燃料电池系统1的实施例的示意性示图。燃料电池系统1包括燃料电池装置2，在示出的实施例中，燃料电池装置2包括单个燃料电池3。实际上，燃料电池装置包括多个燃料电池，通常是几个燃料电池堆，每个燃料电池堆具有多个燃料电池。燃料电池具有实际上传统的构造，例如高分子电解质薄膜燃料电池具有阴极10和阳极20，阴极10和阳极20分别在它们的尽可能多的区域上被提供操作气体。操作气体通常在流动场中流动，所述流动场在图1中被示意性地示出为阴极流动区域13和阳极流动区域23。为了冷却，示出的燃料电池3包括冷却板8。
燃料电池系统利用人造空气(即，利用氧和氮的混合物)操作，人造空气的氧含量优选地是20至50体积百分比，尤其优选地40至50体积百分比。在燃料电池系统1的操作期间，从成分氧和氮连续地产生人造空气，并且人造空气被提供给燃料电池装置2。在阳极侧的操作气体是氢和氮的混合物，在燃料电池系统1的操作期间也从成分氢和氮连续地产生氢和氮的混合物并且所述氢和氮的混合物被提供给燃料电池装置2。阳极操作气体中的氢浓度等于阴极气路中的氧浓度。
反应气体氧和氢以及惰性气体氮被布置在合适的储存器(在示出的实施例中，压缩氧气瓶30、压缩氢气瓶40和压缩氮气瓶50)中。氮储存器可远小于反应气体储存器，因为在燃料电池反应期间不消耗氮，所以在整个燃料电池操作期间，循环相同量的氮。
反应气体储存器的尺寸取决于安排的燃料电池操作时间。储存器当然不限于压缩气瓶。
本发明的必要方面是为燃料电池系统提供封闭阴极气路11和封闭阳极气路21，氮或氧被提供到封闭阴极气路11中，氢或氮被提供到封闭阳极气路21中。阴极气路11包括阴极操作气体流路12，阴极操作气体流路12在燃料电池气体入口转换为阴极流动区域13，又在燃料电池气体出口转换为阴极废气流路14。阴极废气流路14又在转换点15通向阴极操作气体流路12。阳极气路21包括阳极操作气体流路22，阳极操作气体流路22在燃料电池气体入口转换为阳极流动区域23，又在燃料电池气体出口转换为阳极废气流路24。阳极废气流路24在转换点25通向阳极操作气体流路22。本发明的燃料电池系统因此适应于完全重新循环燃料电池废气，并且不将任何废气释放到环境中。流路是软管线或管子。
阴极流动区域13和阳极流动区域23通常被“扇出”，即在燃料电池气体入口存在气体分布器，所述气体分布器使阴极操作气体和阳极操作气体尽可能均匀地分布在整个燃料电池装置2上，并且在燃料电池气体出口存在收集器，所述收集器收集阴极废气和阳极废气并且将它们分别提供到阴极废气流路14和阳极废气流路24中。
阴极操作气体流路12中的压力传感器18和阴极废气流路14的温度传感器19用于确定阴极气路11中的气体压力和气体温度。
阳极操作气体流路22中的压力传感器28和阳极废气流路24中的温度传感器29用于确定阳极气路21中的气体的压力和温度。然而，仅提供温度传感器19、29之一(优选地，阴极气路中的温度传感器19)也是足够的，因为阳极气路和阴极气路中的气体温度在填充过程期间以及在燃料电池系统的操作期间近似相同。另外，所述传感器可在阴极气路11中以及在阳极气路21中位于任意位置。系统的电子设备能够从测量的压力和测量的温度计算阴极气路11中以及阳极气路21中的气体的量。
在示出的实施例中，经减压器33所在的氧流路31(氧管路31)从压缩气瓶30向阀32提供氧以将氧提供到阴极气路11中。经减压器43所在的氢流路(氢管路)41从压缩气瓶40向阀42引导氢以将氢提供到阳极气路21中。经惰性气体流路51、52从压缩气瓶50向阀32引导氮以将氮提供到阴极气路11中，并且类似地，经惰性气体流路51、54从压缩气瓶50向阀42引导氮以将氮提供到阳极气路21中。在惰性气体流路的局部51中，提供减压器53和可选的停止阀55，停止阀55使得可以可靠地防止氮在错误的时间点流入到阴极气路11和阳极气路21中。通过在惰性气体流路的局部51中提供减压器53，确保在阴极气路11中以及在阳极气路21中设置相同的惰性气体局部压力。
在示出的实施例中，氮和氧经允许提供氧或氮的共同装置32(诸如，能够在提供氧和提供氮之间切换的阀)在提供点(转换点)15被提供到阴极气路11中。类似地，氮和氢经能够在提供氢和提供氮之间切换的共同阀42在提供点(转换点)25被提供到阳极气路21中。合适的阀32和42是例如两位三通磁阀。通常，磁阀被优选地用于所有阀。
作为替代方案，也可分开地将氧和氮提供给阴极气路11和/或分开地将氢和氮提供给阳极气路21。提供氧的点定义转换点15，并且提供氢的点定义转换点25。当然，在燃料电池自身外部，能够主要分别在阴极气路11和阳极气路21的任意位置提供氮。如果供给是分开的，则优选地在惰性气体流路、氧流路和氢流路中提供停止阀以便防止氮和氧被同时提供到阴极气路中以及防止氮和氢被同时提供到阳极气路中。
燃料电池装置2在阴极侧利用人造空气(例如，具有50体积百分比的氧部分)操作，并且在阳极侧，利用氢/氮混合物操作。如果氧部分是50体积百分比，则氢部分也是50体积百分比。在开始连续燃料电池操作并且抽取能量之前，阳极气路21和阴极气路11被利用预期操作气体填充。在下面，通过具体示例性数字来解释这个过程。
能够以非常好的近似应用的公式(p＝压力；V＝体积；m＝质量；M＝摩尔质量；R＝气体常数；T＝温度)意味着：为了设置预期反应气体浓度(标称浓度)，压力和温度以及参与气体的质量和摩尔质量和待填充体积是很重要的。
对于Vg＝0.0035m3的阴极气路的示例性体积、pg＝4451hPa绝对(445100kg·m-1·s-2绝对)的阴极操作气体的预期反应压力(标称压力)、Tg＝327K(54℃)的阴极气路中的气体的温度和50Vol-％(χO2＝0.5)的预期氧浓度，对于氧MO2＝15.9994g·mol-1的摩尔质量、氮MN2＝14.0067g·mol-1的摩尔质量和气体常数R＝8.312J·mol-1·K-1，对于在燃料电池的连续操作之前(即，在开始抽取电流而没有气态或液体水部分之前)的稳定时间点的阴极气路11中的气体的全部质量mg＝mO2+mN2，这产生：
对于需要的阴极气路中的气体的总质量，应用以上数值产生11mg＝9.170g。当考虑氧和氮的摩尔质量之比MO2/MN2＝15.9994∶14.0067时，氧的质量将会是mO2＝4.585g并且氮的质量将会是mN2＝4.281g。
如果在23℃(296K)的温度填充氮，则必须设置通过下面的公式获得的氮局部压力pN2：
当使燃料电池系统操作时，在阴极气路11中以及在阳极气路21中设置这个局部压力。
然而，以上计算未考虑这样的事实：在燃料电池反应期间，产生水作为反应产物，某个比例的水以气态形式在阴极气路和阳极气路中循环。气态水替换惰性气体的一部分，以使得当使燃料电池系统操作时，相应地较少的惰性气体必须被提供到阴极气路11中并且提供到阳极气路21中。当考虑产生的反应水时，能够根据瓦格纳方程计算需要的惰性气体的量，
psat表示饱和压力，pc表示临界气体压力，并且Tc表示临界水温。pc是220600hPa并且Tc是641.1K。Tg分别表示阴极气路和阳极气路中的气体的温度，并且A、B、C、D是瓦格纳系数(A＝-7.71374，B＝1.31467，C＝-2.51444，D＝-1.72542)。针对瓦格纳方程和以上引用的值，参照VDI 10th edition，Springer-Verlag Berlin，Heidelberg 2006。
对于阴极气路和阳极气路中的气态水的浓度XH2O，应用所述参数产生XH2O＝psat/pg＝0.249。
pg分别表示阴极操作气体和阳极操作气体的标称压力(4451hPa绝对)。
在燃料电池的操作期间的稳定时间点的阴极气路11中的气体的总质量mg＝mO2+mN2+mH2O因此产生
如以上针对没有气态水部分的计算所述指定Vg、Tg和XO2。
对于氧的质量，应用所述参数产生mO2＝4.585g，对于氮的质量，应用所述参数产生mN2＝2.018g，并且对于气态水的质量，应用所述参数产生mH20＝2.567g。气体的总质量mg是9.170g。
如果当利用氮填充阳极气路和阴极气路时当使燃料电池系统操作时温度T0是296K，则需要设置通过获得的氮压力。
这产生1013hPa绝对的氮压力pN2。
当使燃料电池系统1操作时，并且在使燃料电池装置2操作之前，在阴极气路和阳极气路中基本上同时设置1013hPa的氮局部压力。通过打开惰性气体流路51中的阀55，因此使氮流到能够在提供氧和提供氮之间切换的两位三通阀32，来设置阴极气路11中的1013hPa的氮局部压力。阀32切换为氮供给，以使得氮通过流路34在转换点15流入到阴极气路11中。通过压力传感器18来测量氮压力，并且惰性气体流路51中的减压器53将测量的压力与1013hPa的标称值进行比较，并且让氮流动，直至达到1013hPa的氮压力(每个压力表示绝对压力)。
基本上与填充阴极气路11同时，利用氮填充阳极气路21。为了防止氮由于局部压力补偿而迁移，需要基本上同时利用与存在于阴极气路中的氮压力相同的氮压力填充阳极气路。为了利用氮填充阳极气路21，能够在提供氢和氮之间切换的两位三通阀42切换为氮供给，以使得氮通过氮流路44流到转换点2并且流入到阳极气路21中。通过压力传感器28来测量阳极气路21中的氮压力。减压器55将测量的压力与将要设置的1013hPa的标称压力进行比较，并且让氮流动，直至达到这个压力。
随后，产生操作气体混合物。为此，阀32切换为氧供给，并且阀42切换为氢供给。由于在实施例中阴极操作气体具有50体积百分比的氧部分，所以在不考虑反应水的情况下，将要设置的氧局部压力pO2等于氮局部压力pN2，因此2149hPa。对于在23℃的填充温度的总体操作气体压力pg，因此需要设置4156hPa的压力。类似于氮局部压力，在阴极气路11中设置这个压力，即通过压力传感器18来测量压力pg，并且减压器33将测量的压力与需要的标称值进行比较。只要测量的压力小于需要的4156hPa的标称值，减压器阀就被充分地打开以使充足的氧流入到阴极气路中以便达到需要的标称值。由压力传感器测量的压力一达到需要的标称值，减压器33的阀就关闭。同时，在阳极气路21中，通过由压力传感器28测量阳极气路21中的压力pg并且随后将减压器43的测量压力与设置点进行比较，也设置4156hPa的气体压力pg＝PH2+pN2。减压器43的阀被打开以让氢流入到阳极气路21中，直至达到设置点。减压器阀随后被关闭。阀32和42保持它们的位置，即它们分别保持设置为氧流和氢流。燃料电池系统1现在准备好使燃料电池装置2操作。每个压力表示绝对压力。
选择以上示例，以使得将要设置的氮局部压力近似对应于大气压，以使得通过简单地利用氮填充阴极气路和阳极气路来设置合适的氮局部压力。然而，在操作条件下，这产生高于根据本发明的300至1000hPa(正压)的优选范围的操作气体压力。为了在优选范围中设置操作气体压力，氮局部压力(绝对压力)需要被设置为诸如小于大气压，即在设置预期惰性气体压力之前，阴极气路和阳极气路必须被抽空。为此，阴极气路和阳极气路分别优选地具有布置在它们里面的用于产生真空的装置，诸如真空泵(附图中未示出)。具有低吞吐量的小的轻的泵就足够了，因为不需要产生高真空。足以能够产生将要设置的氮局部压力(例如，大约200至800hPa)或稍微低于将要设置的氮局部压力的压力，以使得能够通过如上所述提供氮来设置预期氮局部压力(标称氮局部压力)。
在使燃料电池装置2操作之前，并且优选地已经在填充阴极气路11和阳极气路21的同时，在阴极气路和阳极气路中产生重新循环气流以便例如通过阴极废气流路14中的重新循环泵17并且通过阳极废气流路24中的重新循环泵27来实现惰性气体和反应气体的合适的气体分布和混合。作为替代方案，一个或两个泵可被喷嘴替换。保持流量是很重要的，以便确保新鲜操作气体不断地被传送到燃料电池中并且消耗的气体和在燃料电池反应期间形成的水被传送到燃料电池之外。
在燃料电池反应期间形成的水需要被从燃料电池废气去除，因为否则它将会继续在阴极气路和阳极气路中富集并且最终淹没燃料电池。因此，水分离器16被布置在阴极废气流路14中，并且水分离器26被布置在阳极废气流路24中。在水分离器16、26中，液体水被与气流分离并且被收集，而气态水保留在阴极废气和阳极废气中。在分离液体水之后，全部废气被提供到阴极操作气体流路12中，并且全部阳极废气被提供到阳极操作气体流路22中。由于燃料电池废气在燃料电池装置2的操作期间被提供到操作气体流路中，所以操作气体变得耗尽反应气体氧和氢，以使得由压力传感器18和28测量的压力低于在由阴极废气流路14和/或阳极废气流路24中的温度传感器19和/或29测量的各气体温度的标称压力。然而，根据本发明，阴极气路11和阳极气路21中的压力在燃料电池装置2的操作期间保持不变。为此，提供用于将氧提供给阴极气路11的装置和用于将氢提供给阳极气路21的装置，以使得能够调节提供的氧和氢的量。在示出的实施例中，使用减压器33和减压器43。通过使减压器33的阀和减压器43的阀充分打开以使氧和氢分别连续地流入到阴极气路11和阳极气路21中以便分别补充消耗的氧和消耗的氢，阴极气路11和阳极气路21中的压力保持不变。
作为用于合适地提供氧、氢和氮的替代装置，可使用质量流量调节器。
在示出的实施例中，水分离器16和26分别具有水位开关67和68并且分别具有放水阀64和65。水位开关67、68监测水分离器16、26的填充水位，并且确保不超过预定填充水位。水分离器16、26中的水位一升高到足以弄湿水位开关，放水阀64、65就被打开并且水被排出。选择排水时间，以使得一些水保留在水分离器16、26中以防止阴极废气和阳极废气流出。合适的排水时间处于1秒和3秒之间的范围中。排出的水通过管子63、63流入到由水泵61支撑的水收集槽60中，每次放水阀64、65之一或二者被打开时，水泵61操作。
示出的实施例包括阴极操作气体流路12中的压力开关4和阳极操作气体流路22中的压力开关6。如上所述，这些压力开关监测操作气体的压力，并且在分别超过阴极操作气体和阳极操作气体的预定最大压力的情况下通过安全电路来将整个系统切换为安全模式。
在氮流路52和54中，提供止回阀56、57。如果阀32在燃料电池装置2的操作期间被错误地切换到氮流，则止回阀56防止阴极操作气体的回流，并且如果阀42在燃料电池装置2的操作期间被错误地切换到氮流，则止回阀57防止阳极操作气体的回流。
根据本发明的封闭燃料电池系统1的另一实施例被示意性地示出在图2中。针对多数部件，根据图2中示出的实施例的燃料电池系统与图1中示出的燃料电池系统相同。相同的标号表示相同或对应的部件。图2中示出的燃料电池系统仅包括阴极气路11中的一个温度传感器19。可连接泄漏电阻器9提供燃料电池电力的产生，并且因此，提供在关闭燃料电池系统之后的反应气体的消耗。另外，在图2中示出的实施例中，作为用于在阴极气路11和阳极气路21中产生流动的装置，文氏管喷嘴17和27被布置在阴极气路的转换点15和阳极气路的转换点25。通过使气体分别从线路34和44流入到文氏管喷嘴中，来自线路14和24的废气分别被吸入并且提供到阴极操作气体流路12和阳极操作气体流路22中。
另外，图2中示出的燃料电池系统包括用于从阴极气路11排出气体的阀5和用于从阳极气路21排出气体的阀7。在关闭燃料电池系统之后，或者至少在使燃料电池系统重新操作之前，系统中的剩余气体和系统中的剩余水应该被排出。这可例如由阴极废气流路14中的阀5和阳极废气流路24中的阀7以及放水阀66执行。气体和水被释放到燃料电池系统的环境中，或者在布置在器械系统中的燃料电池系统中，气体和水被释放到燃料电池系统所在的器械系统的环境中，即释放到大气中(然而，仅在完成将要由器械系统执行的任务之后进行释放)。然而，在正在进行的任务期间，器械系统代表完全封闭系统，这在诸如水下交通工具的交通工具的情况下特别重要。然而，在完成将要由器械系统执行的任务之后，也可按照不同于阀5、7的方式从气路排出气体，以及例如通过气路的出口排出在水分离器16、26中收集的水。
根据本发明的燃料电池系统1的另一实施例被示意性地示出在图3中。图3中示出的实施例是半封闭系统，即该系统仅在阳极侧封闭，而在阴极侧，空气能够被从环境吸入，并且耗尽氧的空气能够在燃料电池反应之后被重新释放到环境中。根据图3中示出的实施例的燃料电池系统在阳极侧与图2中示出的燃料电池系统相同。相同的标号表示相同或对应的部件。
根据图3的燃料电池系统1包括阴极气体流路11’，阴极气体流路11’包括阴极操作气体流路12、阴极流动区域13和阴极废气流路14。阴极操作气体流路12和阴极废气流路14在流通方面彼此分离。空气(优选地，自然环境空气)通过空气源11’被作为阴极操作气体提供到阴极气体流路30’中。优选空气源是具有这样的性能的鼓风机：确保阴极气体流路11’中的阴极操作气体的充足流量。
阴极气体流路11’具有布置在它里面的用于分别检测提供的阴极操作气体中的氧浓度和氮部分的传感器35、压力传感器18、温度传感器19和压力开关4。传感器35、18和19以及压力开关4是可选的部件。允许分离阴极气体流路11’与空气源30’的图3中示出的停止阀32’也是可选的。空气源30’和阀32’由空气流路31’连接。
由空气源30’提供的空气流入到阴极操作气体流路12中，流经阴极流动区域13，并且最终通过阴极废气流路14离开燃料电池装置作为耗尽氧的阴极废气。阴极废气流路14将阴极废气释放到环境中。用于为离开的阴极废气提供某种阻力并且同时防止可能的沿相反方向的气体的流动的装置(诸如，弹簧偏置止回阀或节流阀)被布置在阴极废气流路14中。装置5’确保在燃料电池系统1的操作期间的预期阴极操作气体压力的维持。
在使根据图3的燃料电池系统操作之前，环境空气首先通过空气源30’而被吸入到阴极操作气体流路12中，并且同时，氮被从氮源50吸入到阳极操作气体流路22中(如果适用，则在首先抽空阳极气路21之后)，由此设置与阴极操作气体流路12中的空气的氮局部压力对应的氮局部压力。按照与如以上针对封闭系统描述的方式相同的方式执行在阳极气路21中设置需要的氮局部压力。随后，氢被从氢源40提供到阳极操作气体流路22中，直至相同的压力存在于阳极气路21和阴极气体流路11’中。在阳极侧，过程与如以上针对封闭系统描述的过程相同。当然，这里必须考虑到，在燃料电池系统的操作期间，温度变化并且形成产物水。在阳极侧，如上所述，产物水需要与阳极废气分离并且被收集在收集容器中。产物水与阴极废气的分离是可选的。替代地，产物水还可被与阴极废气一起释放到环境中。
利用稍微的修改，封闭燃料电池系统也可用作在阳极侧封闭的系统或在阴极侧封闭的系统。如果例如在阳极侧以及在阴极侧都封闭的图2中示出的系统将要用作在阳极侧封闭但在阴极侧开放的系统，则必须在阴极操作气体流路12和阴极废气流路14之间(即，在水分离器16和文氏管喷嘴17之间)提供用于分离阴极操作气体流路12与阴极废气流路14的可能性。这可例如由简单的停止阀(诸如，阀5或55)执行。用于从阴极气路11排出气体的阀5可被图3的装置5’替换，或者这种装置5’可被另外布置在阴极废气排放路径中。通过减压器33和两位三通阀32之间的氧流路31中的交叉点，氧源30可被分离并且被空气源30’替换。图2中示出的燃料电池系统随后准备好用作仅在阳极侧封闭的系统。类似地，通过在阳极侧的修改可实现在阴极侧封闭但在阳极侧开放的系统。

Claims (15)

1.一种适合利用包含氧和惰性气体的阴极操作气体以及包含氢和惰性气体的阳极操作气体操作的燃料电池系统(1)，包括：
-燃料电池装置(2)，具有至少一个燃料电池(3)，其中所述燃料电池包括具有阴极流动区域(13)的阴极(10)和具有阳极流动区域(23)的阳极(20)，
-氧源(30)、氢源(40)和惰性气体源(50)，
-阴极气路(11)，包括：阴极操作气体流路(12)，用于将阴极操作气体提供到阴极(10)的阴极流动区域(13)中；阴极流动区域(13)；阴极废气流路(14)，用于从阴极流动区域接收阴极废气并且用于将阴极废气重新循环到阴极操作气体流路(12)中；和转换点(15)，阴极废气流路(14)在转变点(15)转换为阴极操作气体流路(12)，
-阳极气路(21)，包括：阳极操作气体流路(22)，用于将阳极操作气体提供到阳极(20)的阳极流动区域(23)中；阳极流动区域(23)；阳极废气流路(24)，用于从阳极流动区域(23)接收阳极废气并且用于将阳极废气重新循环到阳极操作气体流路(22)中；和转换点(25)，阳极废气流路(24)在转换点(25)转换为阳极操作气体流路(22)，
-用于从阴极废气流路(14)中的阴极废气分离液体水的装置(16)和用于从阳极废气流路(24)中的阳极废气分离液体水的装置(26)，
-用于在阴极气路(11)中产生流动的装置(17)和用于在阳极气路(21)中产生流动的装置(27)，其中装置(17)和/或装置(27)优选地是泵或喷嘴，-阴极气路(11)中的压力传感器(18)、阳极气路(21)中的压力传感器(28)、阴极气路(11)中的温度传感器(19)和阳极气路(21)中的可选的温度传感器(29)，用于确定阴极气路(11)中的气体的实际量并且用于确定阳极气路(21)中的气体的实际量，
-从惰性气体源(50)通向阴极气路(11)中的转换点(15)或通向转换点(15)上游的点的惰性气体流路(51,52)和从惰性气体源(50)通向阳极气路(21)中的转换点(25)或转换点(25)上游的点的惰性气体流路(51,54)，
-从氧源(30)通向阴极气路(11)中的转换点(15)的氧流路(31)和从氢源(40)通向阳极气路(21)中的转换点(25)的氢流路(41)，
-用于将惰性气体提供给阴极气路(11)和阳极气路(21)直至在阴极气路(11)和阳极气路(21)中达到惰性气体的标称量的装置，
-用于将氧提供给阴极气路(11)直至在阴极气路(11)中达到氧的标称量的装置，和
-用于将氢提供给阳极气路(21)直至在阳极气路(21)中达到氢的标称量的装置。
2.如权利要求1所述的燃料电池系统(1)，还包括：用于将来自氧流路(31)的氧或来自惰性气体流路(51,52)的惰性气体在阴极气路(11)的转换点(15)提供到阴极气路(11)中的装置和/或用于将来自氢流路(41)的氢或来自惰性气体流路(51,54)的惰性气体在阳极气路(21)的转换点(25)提供到阳极气路(21)中的装置。
3.如权利要求1或2所述的燃料电池系统(1)，其中所述用于将惰性气体提供给阴极气路(11)和阳极气路(21)的装置是惰性气体流路(51)中的减压器(53)，和/或用于将氧提供给阴极气路的装置是氧流路(31)中的减压器(33)，和/或用于将氢提供给阳极气路(21)的装置是氢流路(41)中的减压器(43)。
4.如权利要求1至3中任一项所述的燃料电池系统(1)，还包括：至少一个容器(60)，用于储存液体水，容器(69)优选地经水泵(61)与用于分离液体水的装置(16)和/或与用于分离液体水的装置(26)处于流体连接。
5.如权利要求1至4中任一项所述的燃料电池系统(1)，还包括：用于从阴极废气流路(14)排出气体的装置(5)和/或用于从阳极废气流路(24)排出气体的装置(7)。
6.如权利要求1至5中任一项所述的燃料电池系统(1)，还包括：用于利用阴极气路(11)产生真空的装置和/或用于在阳极气路(21)中产生真空的装置。
7.一种适合利用作为阴极操作气体的空气以及包含氢和氮的阳极操作气体操作的燃料电池系统(1)，包括：
-燃料电池装置(2)，具有至少一个燃料电池(3)，其中所述燃料电池包括具有阴极流动区域(13)的阴极(10)和具有阳极流动区域(23)的阳极(20)，
-氧源(30’)、氢源(40)和氮源(50)，
-阴极气体流路(11’)，包括：阴极操作气体流路(12)，用于将阴极操作气体提供到阴极(10)的阴极流动区域(13)中；阴极流动区域(13)；和阴极废气流路(14)，用于从阴极流动区域接收阴极废气，
-阳极气路(21)，包括：阳极操作气体流路(22)，用于将阳极操作气体提供到阳极(20)的阳极流动区域(23)中；阳极流动区域(23)；阳极废气流路(24)，用于从阳极流动区域(23)接收阳极废气并且用于将阳极废气重新循环到阳极操作气体流路(22)中；和转换点(25)，阳极废气流路(24)在转换点(25)转换为阳极操作气体流路(22)，
-装置(16)，用于从阳极废气流路(24)中的阳极废气分离液体水，
-装置(27)，用于在阳极气路(21)中产生流动，其中装置(27)优选地是泵或喷嘴，
-阴极气体流路(11’)中的压力传感器(18)、阳极气路(21)中的压力传感器(28)、阴极气体流路(11’)中的温度传感器(19)和阳极气路(21)中的可选的温度传感器(29)，用于确定阴极气体流路(11’)中的气体的实际量并且用于确定阳极气路(21)中的气体的实际量，
-氮流路(51,54)，从氮源(50)通向阳极气路(21)中的转换点(25)或通向转换点(25)上游的点，
-氢流路(41)，从氢源(40)通向阳极气路(21)中的转换点(25)，
-用于将氮提供给阳极气路(21)直至在阳极气路(21)中达到氮的标称量的装置，
-用于将氢提供给阳极气路(21)直至在阳极气路(21)中达到氢的标称量的装置，
和
-阴极废气流路(14)中的阀(5’)。
8.一种器械系统，诸如有人或无人水下交通工具，包括如权利要求1至7中任一项所述的燃料电池系统(1)。
9.一种用于利用包含氧和惰性气体的阴极操作气体以及包含氢和惰性气体的阳极操作气体操作燃料电池系统(1)的方法，所述燃料电池系统(1)包括：
-燃料电池装置(2)，具有至少一个燃料电池(3)，其中所述燃料电池包括具有阴极流动区域(13)的阴极(10)和具有阳极流动区域(23)的阳极(20)，
-阴极气路(11)，包括：阴极操作气体流路(12)；阴极流动区域(13)；阴极废气流路(14)；和转换点(15)，阴极废气流路(14)在转换点(15)转换为阴极操作气体流路(12)，和
-阳极气路(21)，包括：阳极操作气体流路(22)；阳极流动区域(23)；阳极废气流路(24)；和转换点(25)，阳极废气流路(24)在转换点(25)转换为阳极操作气体流路(22)，
所述方法包括下面的步骤：
-将包含氧和惰性气体的阴极操作气体提供到燃料电池(3)的阴极流动区域(13)中，并且将包含氢和惰性气体的阳极操作气体提供到燃料电池(3)的阳极流动区域(23)中，其中阴极操作气体中的氧浓度具有预定标称值并且阳极操作气体中的氢浓度具有预定标称值，
-使氧和氢在燃料电池中发生反应，由此产生电能、包含惰性气体和水的阴极废气以及包含惰性气体和水的阳极废气，
-从阴极废气以及从阳极废气分离液体水，由此产生没有液体水的阴极废气和没有液体水的阳极废气，
-将没有液体水的全部阴极废气提供到阴极操作气体流路(12)中，并且将没有液体水的全部阳极废气提供到阳极操作气体流路(22)中，
-确定阴极操作气体流路(12)中的气体的氧浓度的实际值，并且确定阳极操作气体流路(22)中的气体的氢浓度的实际值，
-将氧提供到阴极操作气体流路(12)中直至达到阴极操作气体的氧浓度的所述预定标称值，并且将氢提供到阳极操作气体流路(22)中直至达到阳极操作气体的氢浓度的所述预定标称值，以及
-保持阴极气路(11)和阳极气路(21)中的气体流量。
10.如权利要求9所述的方法，其中在使燃料电池装置(2)操作之前，执行下面的步骤：
-通过抽空和/或提供惰性气体来基本上同时分别填充阴极气路(11)和阳极气路(21)，利用这种量的惰性气体，使得当在燃料电池系统(1)的操作条件下将氧提供到阴极操作气体流路(12)中时，形成具有氧浓度的所述预定标称值的阴极操作气体，并且当在燃料电池系统(1)的操作条件下将氢提供到阳极操作气体流路(22)中时，形成具有氢浓度的所述预定标称值的阳极操作气体，
-设置燃料电池系统(1)的操作条件，
-将氧提供到阴极操作气体流路(12)中直至达到阴极操作气体的氧浓度的所述预定标称值，并且基本上同时
-将氢提供到阳极操作气体流路(22)中直至达到阳极操作气体的氢浓度的所述预定标称值。
11.如权利要求9或10所述的方法，其中所述阴极操作气体流路(12)中的氧浓度和阳极操作气体流路(22)中的氢浓度被定期地或连续地确定。
12.如权利要求9至11中任一项所述的方法，其中氮被用作惰性气体。
13.一种用于利用作为阴极操作气体的空气以及包含氢和氮的阳极操作气体操作燃料电池系统(1)的方法，其中所述燃料电池系统(1)包括：
-燃料电池装置(2)，具有至少一个燃料电池(3)，其中所述燃料电池包括具有阴极流动区域(13)的阴极(10)和具有阳极流动区域(23)的阳极(20)，
-阴极气体流路(11’)，包括阴极操作气体流路(12)；阴极流动区域(13)；和阴极废气流路(14)，和
-阳极气路(21)，包括：阳极操作气体流路(22)；阳极流动区域(23)；阳极废气流路(24)；和转换点(25)，阳极废气流路(24)在转换点(25)转换为阳极操作气体流路(22)，
所述方法包括下面的步骤：
-将空气作为阴极操作气体提供到燃料电池(3)的阴极流动区域(13)中，其中空气具有氧浓度，并且将包含氢和氮的阳极操作气体提供到燃料电池(3)的阳极流动区域(23)中，其中阳极操作气体中的氢浓度具有与空气中的氧浓度对应的预定标称值，
-使氧和氢在燃料电池中发生反应，由此产生电能、包含氮和水的阴极废气以及包含氮和水的阳极废气，
-从阳极废气分离液体水，由此产生没有液体水的阳极废气，
-将没有液体水的全部阳极废气提供到阳极操作气体流路(22)中，
-确定阳极操作气体流路(22)中的气体的氢浓度的实际值，
-可选地确定阴极操作气体流路(12)中的空气的氧浓度，
-将氢提供到阳极操作气体流路(22)中直至达到阳极操作气体的氢浓度的所述预定标称值，
-保持阳极气路(21)和阴极气体流路(11’)中的气体流量，以及
-从阴极废气流路(14)排出阴极废气。
14.如权利要求13所述的方法，其中在使燃料电池装置(2)操作之前，执行下面的步骤：
-将空气提供到阴极气体流路(11’)中并且基本上同时通过抽空和/或提供氮来填充阳极气路(21)，利用这种量的氮，使得当在燃料电池系统(1)的操作条件下将氢提供到阳极操作气体流路(22)中时，产生具有氧浓度的所述预定标称值的阳极操作气体，所述标称值对应于空气中的氧浓度，
-设置燃料电池系统(1)的操作条件，
-将氢提供到阳极操作气体流路(22)中直至达到阳极操作气体的氢浓度的所述预定标称值。
15.如权利要求13或14所述的方法，其中所述阳极操作气体流路(22)中的氢浓度和阴极操作气体流路(12)中的可选的氧浓度被定期地或连续地确定。
CN201680028286.1A 2015-04-14 2016-04-13 用于利用人造空气操作燃料电池的方法和装置 Active CN107743661B (zh)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102015004827.9 2015-04-14
DE102015004827.9A DE102015004827A1 (de) 2015-04-14 2015-04-14 Verfahren und Vorrichtung zum Betreiben von Brennstoffzellen mit künstlicher Luft
PCT/EP2016/000606 WO2016165824A1 (de) 2015-04-14 2016-04-13 Verfahren und vorrichtung zum betreiben von brennstoffzellen mit künstlicher luft

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN107743661A true CN107743661A (zh) 2018-02-27
CN107743661B CN107743661B (zh) 2021-03-19

Family

ID=55970948

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201680028286.1A Active CN107743661B (zh) 2015-04-14 2016-04-13 用于利用人造空气操作燃料电池的方法和装置

Country Status (10)

Country Link
US (1) US11063281B2 (zh)
EP (1) EP3284131B1 (zh)
JP (1) JP6947640B2 (zh)
KR (1) KR102459180B1 (zh)
CN (1) CN107743661B (zh)
CA (1) CA2982212C (zh)
DE (1) DE102015004827A1 (zh)
ES (1) ES2825174T3 (zh)
RU (1) RU2668287C1 (zh)
WO (1) WO2016165824A1 (zh)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112993320A (zh) * 2019-12-14 2021-06-18 中国科学院大连化学物理研究所 一种改善密闭环境中燃料电池性能的方法及系统

Families Citing this family (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP3392947B1 (en) * 2015-12-15 2019-11-20 Nissan Motor Co., Ltd. Fuel cell system and control method therefor
US20190148752A1 (en) * 2017-11-13 2019-05-16 Lg Fuel Cell Systems Inc. Fuel cell stack temperature control
AT520553B1 (de) * 2017-12-14 2019-05-15 Avl List Gmbh Abgasnachbehandlungssystem, Reaktorsystem und Verfahren zur Abgasnachbehandlung für ein Brennstoffzellensystem
JP7154021B2 (ja) * 2018-03-15 2022-10-17 本田技研工業株式会社 燃料電池システム
JP6832491B2 (ja) * 2018-03-26 2021-02-24 パナソニックＩｐマネジメント株式会社 燃料電池システム及びその運転方法
JP2019175644A (ja) * 2018-03-28 2019-10-10 パナソニックＩｐマネジメント株式会社 燃料電池システム
US20200136160A1 (en) * 2018-10-24 2020-04-30 Gunes M. Ecer Simplified fuel cell system, apparatus, and process
KR20210079953A (ko) * 2019-12-20 2021-06-30 범한퓨얼셀 주식회사 수중 재순환식 연료전지 시스템
JP7243645B2 (ja) * 2020-01-16 2023-03-22 トヨタ自動車株式会社 燃料電池システム及び車両
US11421918B2 (en) 2020-07-10 2022-08-23 Energy Recovery, Inc. Refrigeration system with high speed rotary pressure exchanger
US11913696B2 (en) * 2021-06-09 2024-02-27 Energy Recovery, Inc. Refrigeration and heat pump systems with pressure exchangers
DE102022200795A1 (de) * 2022-01-25 2023-07-27 Robert Bosch Gesellschaft mit beschränkter Haftung Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems, Verwendung eines Rezirkulationsgebläses in einem Brennstoffzellensystem

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2004158229A (ja) * 2002-11-05 2004-06-03 Kawasaki Shipbuilding Corp 燃料電池システム
US20070065711A1 (en) * 2005-09-21 2007-03-22 Gopal Ravi B Air independent power production
CN101431162A (zh) * 2007-10-18 2009-05-13 通用汽车环球科技运作公司 燃料电池系统启动时的辅助堆阳极净化
JP2009211837A (ja) * 2008-02-29 2009-09-17 Mitsubishi Heavy Ind Ltd 燃料電池およびその運転方法

Family Cites Families (18)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2002260698A (ja) * 2001-02-27 2002-09-13 Nissan Motor Co Ltd 燃料電池システム
US6746790B2 (en) * 2001-08-15 2004-06-08 Metallic Power, Inc. Power system including heat removal unit for providing backup power to one or more loads
RU2267834C2 (ru) 2003-09-08 2006-01-10 Открытое акционерное общество "Ракетно-космическая корпорация "Энергия" имени С.П. Королева" Способ эксплуатации электрохимического генератора
US20050142399A1 (en) * 2003-12-31 2005-06-30 Kulp Galen W. Procedure for starting up a fuel cell using a fuel purge
JP4919382B2 (ja) * 2005-11-14 2012-04-18 ヤマハ発動機株式会社 燃料電池車両における生成水排出装置
DE102006005175A1 (de) * 2006-02-06 2007-10-25 Daimlerchrysler Ag Vorrichtung und Verfahren zur Kontrolle des Differenzdrucks in einer Brennstoffzelle
JP2007273276A (ja) 2006-03-31 2007-10-18 Mitsubishi Heavy Ind Ltd 燃料電池発電システム及びその運転方法
AT503138B1 (de) 2006-05-05 2007-08-15 Fronius Int Gmbh Verfahren zum regeln des drucks in einer anode einer brennstoffzelle
DE102007040837A1 (de) 2007-08-29 2009-03-05 Siemens Ag Verfahren zum zerstörungsfreien Erkennen eines Gaslecks in einer Brennstoffzelle sowie Brennstoffzellenanlage zur Durchführung des Verfahrens
US9413020B2 (en) 2008-09-17 2016-08-09 Belenos Clean Power Holding Ag Method of shut-down and starting of a fuel cell
AT507763B1 (de) 2008-12-30 2010-12-15 Fronius Int Gmbh Verfahren und vorrichtung zum austragen verbrauchter und zum teil explosionsfähiger betriebsmedien einer brennstoffzelle
JP2011076728A (ja) * 2009-09-29 2011-04-14 Toshiba Corp 燃料電池およびその水抜き方法
US20120040264A1 (en) 2010-08-11 2012-02-16 Gm Global Technology Operations, Inc. Hydrogen concentration sensor utilizing cell voltage resulting from hydrogen partial pressure difference
FR2971087B1 (fr) * 2011-02-01 2013-01-18 Soc Tech Michelin Boucle de recyclage pour pile a combustible
DE102011114719A1 (de) * 2011-10-01 2013-04-04 Daimler Ag Anodenkreislauf und Verfahren zum Vorbereiten eines Wiederstarts
EP2840636A1 (de) 2013-08-20 2015-02-25 Siemens Aktiengesellschaft Verfahren zum Betrieb eines Brennstoffzellenstapels sowie Brennstoffzellenstapel und Brennstoffzellenanlage
US9577272B2 (en) * 2013-09-16 2017-02-21 Hamilton Sundstrand Corporation Fuel cell with impurity filtering
DE102014112745A1 (de) * 2013-09-16 2015-03-19 Hamilton Sundstrand Corporation Brennstoffzelle mit Filterung von Verunreinigungen

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2004158229A (ja) * 2002-11-05 2004-06-03 Kawasaki Shipbuilding Corp 燃料電池システム
US20070065711A1 (en) * 2005-09-21 2007-03-22 Gopal Ravi B Air independent power production
CN101431162A (zh) * 2007-10-18 2009-05-13 通用汽车环球科技运作公司 燃料电池系统启动时的辅助堆阳极净化
JP2009211837A (ja) * 2008-02-29 2009-09-17 Mitsubishi Heavy Ind Ltd 燃料電池およびその運転方法

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112993320A (zh) * 2019-12-14 2021-06-18 中国科学院大连化学物理研究所 一种改善密闭环境中燃料电池性能的方法及系统

Also Published As

Publication number Publication date
EP3284131A1 (de) 2018-02-21
JP6947640B2 (ja) 2021-10-13
ES2825174T3 (es) 2021-05-14
RU2668287C1 (ru) 2018-09-28
US11063281B2 (en) 2021-07-13
KR20170137819A (ko) 2017-12-13
WO2016165824A1 (de) 2016-10-20
CA2982212A1 (en) 2016-10-20
CA2982212C (en) 2023-03-21
KR102459180B1 (ko) 2022-10-26
CN107743661B (zh) 2021-03-19
JP2018517234A (ja) 2018-06-28
EP3284131B1 (de) 2020-07-15
DE102015004827A1 (de) 2016-10-20
US20180097246A1 (en) 2018-04-05

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN107743661A (zh) 用于利用人造空气操作燃料电池的方法和装置
ES2317175T3 (es) Procedimi9ento de produccion de oxigeno, a partir de aire, en particular por medio de una celda electroquimica con membrana ceramica, con medios de control que permiten una produccion continua.
CN112599819B (zh) 燃料电池系统的起动方法
US9093679B2 (en) Method of shutting down fuel cell system
CN103348522B (zh) 用于燃料电池的再循环回路
JP5155734B2 (ja) 燃料電池システム及びその運転方法
US20220349076A1 (en) Solid oxide electrolyzer systems containing hydrogen pump and method of operating thereof
CN106207226A (zh) 燃料电池系统及其控制方法
JP2010080434A (ja) 燃料電池システム
US8673513B2 (en) Determining duration of fuel cell shutdown hydrogen stabilization by counting coulombs
JP2013037790A (ja) 燃料電池システム
US7323262B2 (en) Method of operating a fuel cell power system to deliver constant power
JP2016035910A (ja) 燃料電池システムの運転方法
JP2017513190A (ja) 燃料電池のためのカソードガスの再循環方法およびシステム
KR20160042131A (ko) 다중-스택 전기화학 셀 시스템 및 사용 방법
JP4891961B2 (ja) 燃料電池システム
JP5411443B2 (ja) 燃料電池システム
JP5098191B2 (ja) 燃料電池システム
CN109950577B (zh) 供氧系统的计算方法及应用方法
JP2011014252A (ja) 燃料電池システム
KR20110082173A (ko) 에너지 효율적인 반응물 재순환식 연료 전지 시스템
JPH0917439A (ja) 固体高分子形燃料電池
JP2005108698A (ja) 燃料電池システム
JP6308140B2 (ja) 燃料電池システムにおける陽イオン不純物量の推定方法及び陽イオン不純物量の推定装置
JP2004288491A (ja) 燃料電池システム

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant