CN108352555A - 具有可变的分段的燃料电池堆叠以及具有这样的燃料电池堆叠的燃料电池系统和车辆 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及燃料电池堆叠，该燃料电池具有在流体侧并联地布置的单燃料电池的、至少两个相对彼此在流体侧串联布置的分段。规定为：燃料电池堆叠被设立用于，改变在至少一个分段中的单燃料电池的数量。

Description

具有可变的分段的燃料电池堆叠以及具有这样的燃料电池堆 叠的燃料电池系统和车辆
技术领域
本发明涉及一种燃料电池堆叠，该燃料电池堆叠具有在流体侧并联地布置的单燃料电池的分段（Segmenten），这些分段相对彼此在流体侧串联布置，其特征在于，该燃料电池堆叠被设立用于，改变在至少一个分段中的单燃料电池的数量。
背景技术
燃料电池利用燃料与氧成为水的化学转化，以便产生电能。为此，燃料电池包含所谓的膜-电极-单元（MEA：膜电极组件）作为核心部件，该膜-电极-单元是由离子导通（大多质子导通）的膜和分别在膜两侧上布置的催化电极（阳极和阴极）组成的结构。后者大多包括负载型的贵金属、尤其铂。此外，气体扩散层（GDL）可以在膜-电极-单元的两侧被布置在电极的与膜背离的一侧上。通常，通过多个以堆叠（stack）方式所布置的MEA来构造燃料电池，这些MEA的电功率相加。在各个膜-电极-单元之间通常布置有双极板（也称流场板），这些双极板确保以运行介质、也即反应物来供应单电池并且通常也用于冷却。此外，双极板负责与膜-电极-单元的导电接触。
在燃料电池的运行中，经由双极板的在阳极侧的开放的流场来给阳极输送燃料、尤其氢H2或含氢的气体混合物，在阳极那里在释放电子的情况下发生从H2到H+的电化学氧化。通过将反应室气密地相互分离和电隔离的电解质或膜来进行质子H+从阳极室到阴极室中的（水结的或无水的）传输。在阳极上所提供的电子经由电线路被传送给阴极。经由双极板的在阴极侧的开放的流场来将氧或含氧的气体混合物（例如空气）输送给阴极，使得在接纳电子的情况下发生O2到2O2-的还原，。同时，在阴极室中氧负离子与经由膜所运输的质子发生反应，以形成水。
通常，大量单个的燃料电池连接组装成燃料电池堆叠，以便提高燃料电池系统的功率。在此情况下，各个燃料电池彼此电串联连接。为了给燃料电池堆叠供给运行介质，运行介质通道沿着堆叠方向贯穿这些单燃料电池。更准确地说，针对每种运行介质设置两个运行介质通道，这两个运行介质通道经由单燃料电池来处于流体连接。运行介质通道给单燃料电池供给运行介质，并且通常与此平行地布置的运行介质通道将反应产物和/或未转化的运行介质从所供给的单燃料电池排出。
为了在每个运行点给燃料电池系统提供足够的运行剂、例如阳极或阴极气体，燃料电池系统可以利用过量的阳极或阴极气体来运行。这避免了对单个燃料电池的供给不足，并且保证稳定的运行。因此，如今的燃料电池系统利用过量的阳极或阴极气体来运行。例如，可以利用再循环鼓风机实现这样的超化学计量供给。然而，由于对运行剂的提高的损耗，系统效率不是最佳的。
所谓的级联（Kaskadierung）证明适合用于对从燃料电池排散出去的运行剂进行利用，在该级联情况下，相应的运行剂接连流过多个级联等级，级联等级具有减少的数量的、气体侧并联连接的燃料电池。通过级联，未利用的运行剂从第一级联等级馈送到第二级联等级中，并且在那里尽可能地被耗用。剩余运行剂被馈送到包含更少燃料电池的第三级联等级中，并以此类推。由此们可以实现良好地充分利用所使用的运行剂。DE 103 93 164B4，EP 1 577 972 B1和 EP 2 122 737 B1描述相同类型的燃料电池系统。
对于给定的级联而言，在相应的级联等级中得到的化学计量基本上与从外部装入到第一级联等级中的化学计量（=全局化学计量）相关。如果任意的级联等级的化学计量（=局部化学计量）应当被提高，那么全局化学计量必须被提高，由此，所有级联等级的化学计量增大。由此，又降低了燃料电池系统的效率。因此视运行状态而定地，在这样的燃料电池系统的情况下可能值得期望的是，一个级联等级的化学计量与其他级联等级的化学计量无关地改变。
发明内容
现在，本发明基于以下任务，提出一种燃料电池堆叠，该燃料电池堆叠至少部分地消除现有技术的问题。由此应当在每个运行状态中实现最优的系统效率，并且仅仅一小部分运行剂以未消耗的方式被放出到周围环境。
通过具有独立权利要求的特征的燃料电池堆叠以及通过相应地设立的燃料电池系统和相应的车辆解决该任务。
因此，本发明的第一方面涉及具有至少两个堆叠分段的燃料电池堆叠，这些堆叠分段在流体侧相对彼此串联地布置。在堆叠分段之内，单燃料电池在流体侧并联地布置。通过分段（Segmentierung），部分未消耗的运行剂从第一堆叠分段馈送到第二堆叠分段中，并且在那里继续被消耗。按照本发明，燃料电池堆叠被设立用于，改变在至少一个堆叠分段中的并且优选地在所有的堆叠分段中的单燃料电池的数量。由此，可以实现最优的效率。为了最优地涵盖其他的运行状态，规定：燃料电池堆叠也被设立用于，改变堆叠分段的数量。
在本发明的优选的扩展方案中，燃料电池堆叠具有（运行剂输入侧的）第一运行剂通道，和优选地与第一运行剂通道基本上平行地延展的第二运行剂通道。两个运行剂通道沿着堆叠方向贯穿单燃料电池，并且彼此经由单燃料电池来处于流体连接。按照本发明，在第一运行剂通道中布置至少一个流体屏障，该流体屏障在两个相邻的单燃料电池之间中断通过第一运行剂通道的运行剂流，并且其沿着堆叠方向的位置可以被改变。邻接堆叠起始部的堆叠分段通过堆叠起始部和与堆叠起始部相邻的、布置在第一运行剂通道中的流体屏障而被限制。处于内部的堆叠分段通过两个相邻的、布置在第一和第二运行剂通道中的流体屏障而被限制。邻接堆叠末端的堆叠分段通过堆叠末端和与堆叠末端相邻的、布置在运行剂输出侧的运行剂通道中的流体屏障而被限制。
为了获得多于两个分段，在第一和/或第二运行剂通道中布置其他的、能够沿着堆叠方向移动的流体屏障。通过布置在第二运行剂通道中的、能够沿着堆叠方向移动的流体屏障来实现划分为三个可变的分段，其中该流体屏障在两个相邻的单燃料电池之间中断通过第二运行剂通道的运行剂流。此外规定，这些流体屏障彼此独立地以能够沿着堆叠方向移动的方式来构造，以便可以最优地覆盖所有的运行点。
为了使用燃料电池堆叠的所有单燃料电池，在本发明的其他优选的扩展方案中，流体屏障沿着堆叠方向交替地、也即以彼此偏差的或者偏移的位置来布置在第一和第二运行剂通道中。
在运行中，在运行剂输入侧对第一分段的单燃料电池施加新鲜的运行剂。未转化的剩余运行剂从单燃料电池流动到在运行剂输入侧相对置的运行剂通道中，并且用于供给第二分段的单燃料电池。在第二分段中的剩余运行剂转化之后，所剩下的剩余运行剂从第二分段的单电池流动到运行剂输入侧的运行剂通道中，并且可以用于供给其他的分段，等等。由此得到通过燃料电池堆叠的蜿蜒状的运行剂流。而在常规的燃料电池堆叠中，多个运行剂通道之一用于输送运行剂并且另一个用于导出运行剂，而这两个功能在按照本发明的燃料电池堆叠中则被分配给这两个运行剂通道。
本发明的另一方面涉及一种燃料电池系统，该燃料电池系统包括这里描述的燃料电池堆叠和控制装置，该控制装置被设立用于，根据燃料电池系统的运行状态来改变至少一个分段的单燃料电池的数量。优选地，不仅分段的数量而且分段的单燃料电池的数量也由该控制装置来影响。
本发明的另一方面涉及具有这样的燃料电池系统或者具有这里描述的燃料电池堆叠的车辆。优选地在此情况下涉及一种车辆，该车辆具有电动机作为牵引发动机，以单独利用该电动机或者与内燃机组合的方式来驱动该车辆。
从余下的、在从属权利要求中提及的特征中得出本发明的其他优选的扩展方案。
只要未在个别情况下另外讲述，本发明的在该申请中提到的不同实施方式可以有利地彼此组合。
附图说明
以下在实施例中根据所附附图阐述本发明。其中：
图1示出按照本发明的一种优选的扩展方案的燃料电池堆叠；
图2示出按照本发明的一种优选的扩展方案的燃料电池系统；
图3示出按照本发明的一种优选的扩展方案的车辆。
具体实施方式
图1示出按照本发明的一种优选的扩展方案的燃料电池堆叠10，该燃料电池堆叠10这里通过两个柱塞形状的流体屏障17、19被划分为分段Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ。邻接堆叠起始部的堆叠分段Ⅰ通过堆叠起始部和与堆叠起始部相邻的被布置在第一阳极气体通道16中的流体屏障17来被限制。处于内部的堆叠分段Ⅱ通过两个相邻的、被布置在第一和第二阳极气体通道16、18中的流体屏障17、19来被限制。邻接堆叠末端的堆叠分段Ⅲ通过堆叠末端和邻接堆叠末端的被布置在运行剂输出侧的阳极气体通道18中的流体屏障19来被限制。
每个堆叠分段Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ具有大量以堆叠形状来布置的单燃料电池11（未示出）作为核心组件。每个单燃料电池11分别包括阳极室12以及一个阴极室13，该阳极室和阴极室由离子传导的聚合电解质膜14来相互分开（见图1和2 的细节图）。阳极室和阴极室12、13分别包括催化电极，即阳极或者阴极（未示出），该催化电极将燃料电池转化的相应的部分反应催化。阳极电极和阴极电极具有催化材料、例如铂，该催化材料以负载型的方式在更大比表面积的能导电的载体材料上、例如基于碳的材料上存在。在两个这样的膜-电极-单元之间，分别还布置有用来15标明的双极板，该双极板用于将运行介质输送到阳极和阴极室12、13中，并且还建立在各个燃料电池11之间的电连接。
两个基本上彼此平行的阳极气体通道16、18沿着堆叠方向S贯穿燃料电池堆叠10，并且经由单燃料电池11来彼此处于流体连接，以便给单燃料电池11供给阳极供给装置（Anodenversorgung）21的阳极气体，并且将未消耗的阳极气体输送给阳极废气路径22。更准确地说，阳极气体通道16用于给堆叠分段Ⅰ和Ⅲ供给阳极气体、尤其氢。第二阳极气体通道18用于给堆叠分段Ⅱ供给在分段Ⅰ中未消耗的阳极气体，并且将在分段Ⅲ中未消耗的阳极气体导出。
在图1中，利用S不仅表示在燃料电池分段Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ之内的单燃料电池的堆叠方向，而且也表示在燃料电池堆叠10之内的三个燃料电池分段Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ的堆叠方向。因此，单燃料电池11的堆叠方向S相应于燃料电池分段Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ的堆叠方向。
柱塞形状的流体屏障17、19分别被布置在运行剂通道16、18中，该流体屏障填满并且流体密封地堵塞运行剂通道16、18的横截面，使得阻碍运行剂通过。在此规定：流体屏障17、19的头部是足够平的，使得该头部在两个邻接的单燃料电池之间并不水平地堵塞这些单燃料电池。这两个流体屏障17、19可以彼此无关地通过柱塞沿着堆叠方向的移动而被推移。在此，流体屏障17、19沿着堆叠方向交替地被布置在第一阳极气体通道16和第二阳极气体通道18中。
在运行中，在运行剂输入侧上对分段Ⅰ的单燃料电池11施加新鲜的阳极气体、例如氢。未转化的剩余阳极气体聚集在在运行剂输入侧对置的阳极气体通道18中，并且用于供给分段Ⅱ的单燃料电池11。在将分段Ⅱ中的剩余阳极气体转化之后，留下的剩余阳极气体聚集在运行剂输入侧的阳极气体通道16中，并且用于供给分段Ⅲ。在剩余阳极气体流过分段Ⅲ之后，该剩余阳极气体被输送给阳极废气路径22。总共，得到通过燃料电池堆叠的蜿蜒状的阳极气体流。
阴极供给装置（Kathodenversorgung）30包括阴极供给路径31，该阴极供给路径31将含氧的阴极运行介质、尤其是从周围环境吸入的空气输送给燃料电池堆叠10的阴极室13。阴极供给装置30还包括阴极废气路径32，该阴极废气路径将阴极废气（尤其是废空气）从燃料电池堆叠10的阴极室13导出，并且必要时将该阴极废气输送给未示出的废气设施。
为了输送和压缩阴极运行介质，压缩机33被布置在阴极供给路径31中。在示出的实施例中，压缩机33构型为主要以电动机方式驱动的压缩机，其驱动经由配备有相应的功率电子设备35的电动机34来进行。压缩机33还可以通过布置在阴极废气路径32中的涡轮36（必要时具有可变的涡轮几何形状）支持性地经由共同的轴（未示出）驱动。涡轮36是扩张器，该扩张器硬气阴极废气的膨胀并且因此引起其压力的减小。
按照示出的实施例，阴极供给装置30还可以具有废气门管道37，该废气门管道将阴极供给管道31与阴极废气管道32连接，因此表示燃料电池堆叠10的旁路。
废气门管道37允许，短期在燃料电池堆叠10中降低阴极运行介质的运行压力，而不将压缩机33关机。布置在废气门管道37中的调整装置（Stellmittel）38允许控制绕过燃料电池堆叠10的阴极运行介质的量。燃料电池系统100的所有的调整装置24、26、38可以被构造为可调节的或者不可调节的阀门或者活门。相应的其他调整装置可以被布置在管道21、22、31和32中，以便将燃料电池堆叠10与周围环境隔离。
图2示出按照本发明的优选的扩展方案的总体上用100来表示的燃料电池系统。燃料电池系统100是未进一步示出的车辆的、尤其具有电动牵引发动机的电动车辆的一部分，通过燃料电池系统100来对该电动牵引发动机供给电能。
附图标记10表示按照本发明的燃料电池堆叠，该燃料电池堆叠设置为在燃料电池系统100中的核心组件。例如，10表示在图1中描绘的燃料电池堆叠。
为了给燃料电池堆叠供给运行气体，该燃料电池堆叠在一侧具有阳极供给装置20并且另一侧具有阴极供给装置30。
阳极供给装置20包括阳极供给路径21，该阳极供给路径用于将阳极运行介质（燃料）、例如氢输送到燃料电池堆叠10的阳极室12中。出于该目的，阳极供给路径21将燃料存储器23与燃料电池堆叠10的阳极入口连接。阳极供给装置20还包括阳极废气路径22，该阳极废气路径将阳极废气从阳极室12经由燃料电池堆叠10的阳极出口导出。在燃料电池堆叠10的阳极侧12上的阳极运行压力可经由在阳极供给路径21中的调整装置24来调整。此外，阳极供给装置20可以如所示出地具有燃料再循环管道25，该燃料再循环管道将阳极废气路径22与阳极供给路径21连接。燃料的再循环是常见的，以便将大多以超化学计量的方式所使用的燃料输送回堆叠并进行利用。在燃料再循环管道25中布置有其他的调整装置26，利用该其他调整装置能够调整再循环率。
阴极供给装置30包括阴极供给路径31，该阴极供给路径将含氧的阴极运行介质、尤其从周围环境吸入的空气输送给燃料电池堆叠10的阴极室13。输送给燃料电池堆叠10的阴极空间13。阴极供给装置30还包括阴极废气路径32，该阴极废气路径将阴极废气（尤其是废空气）从燃料电池堆叠10的阴极室13导出，并且必要时将该阴极废气输送给未示出的废气设施。
为了输送和压缩阴极运行介质，压缩机33被布置在阴极供给路径31中。在示出的实施例中，压缩机33构型为主要以电动机方式驱动的压缩机，其驱动经由配备有相应的功率电子设备35的电动机34来进行。压缩机33还可以通过布置在阴极废气路径32中的涡轮36（必要时具有可变的涡轮几何形状）支持性地经由共同的轴（未示出）驱动。涡轮36是扩张器，该扩张器引起阴极废气的膨胀并且因此引起其压力的减小。
燃料电池系统100还具有加湿器模块39。加湿器模块39在一侧被布置在阴极供给路径31中，使得能够由阴极运行气体流过该加湿器模块。在另一侧，加湿器模块被布置在阴极废气路径32中，使得能够由阴极废气流过加湿器模块。加湿器39典型地具有大量水蒸气可渗透的膜，该膜要么平面地要么以空心纤维的形式来构造。在此，膜的一侧由相对干燥的阴极运行气体（空气）溢流（überströmen），并且另一侧由相对湿润的阴极废气（废气）溢流。由于阴极废气中的水蒸气的较高分压的驱动，发生水蒸气超过膜转移到阴极运行气体中，该阴极运行气体以这种方式被加湿。
在经简化的图2中为了一目了然的原因起见并未示出阳极供给装置和阴极供给装置20、30的各种各样的其他的细节。因此，可以在阳极和/或阴极废气路径22、32中安装脱水器，以便将由燃料电池反应生成的产物水（Produktwasser）冷凝并且排出。最后，阳极废气管道22可以汇入到阴极废气管道32中，使得阳极废气和阴极废气经由共同的废气设施来被导出。
图3示出总体上用200来表示的车辆，该车辆具有图2的燃料电池系统100、电功率系统40、车辆驱动系统50以及电子控制装置60。
电子功率系统40包括用于检测由燃料电池堆叠10所产生的电压的电压传感器41，以及用于检测由燃料电池堆叠10所产生的电流的电流传感器42。此外，电子功率系统包括能量存储器44、例如高伏特电池组或电容器。能量存储器44经由转换器45、尤其高伏特直流转换器与电网连接。以相同的或类似的方式，燃料电池系统自身、其耗电器、例如压缩机33的电动机34（见图1）可以与电网连接，或者车辆的其他的耗电器、例如用于空调的压气机等等可以与电网连接。
驱动系统50包括电动机51，该电动机用作车辆200的牵引发动机。为此，电动机51利用在驱动轴52上布置的驱动轮53来对驱动轴52进行驱动。牵引发动机51经由逆变器43与燃料电池系统100的电子功率系统40连接，并且表示系统的主耗电器。
电子控制装置60控制燃料电池系统100的运行、尤其控制其阳极和阴极供给装置20、30以及流体屏障17、19在阳极气体通道16、18中的位置、其电功率系统40以及牵引发动机51。出于该目的，控制装置60获得各种各样的输入信号，例如流体屏障17、19在阳极气体通道16、18中的当时的位置，利用电压传感器41检测的、燃料电池堆叠10的电压U，利用电流传感器42检测的、燃料电池堆叠10的电流I，关于燃料电池堆叠的温度T的信息，在阳极室和/或阴极室12、13中的压力p，能量存储器44的充电状态SOC，牵引发动机51的转速n和其他输入参量。尤其，由车辆200的驾驶者所要求的行驶功率PW也表现为其他的输入参量。后一个参量尤其经由油门踏板量传感器由对这里未示出的油门踏板（Fahrpedel）的操纵的强度来检测。此外，车辆200的其他耗电器的所要求的功率Paux可以载入控制装置60中。
根据输入参量，控制装置60尤其从所要求的行驶功率（Fahrleistung）和通过辅助耗电器所要求的功率Paux的总和来求取燃料电池堆叠10的总共所要求的功率。由此，控制装置由计算或者相应保存的综合特性曲线来求取流体屏障17、19在阳极气体通道16、18中的最优位置，阳极和阴极运行介质的所需要的质量流或者运行压力，并且操控压缩机33的电动机34以及燃料电池系统100的调整装置24、26、38等。此外，控制装置60控制逆变器43，以便给牵引发动机51供给能量，以及控制转换器45和其他的转换器，以便给能量存储器44充电或放电，并且给连接到电网上的耗电器供给能量。
附图标记列表
100 燃料电池系统
200 车辆
10 燃料电池堆叠
11 单（燃料）电池
12 阳极室
13 阴极室
14 聚合电解质膜
15 双极板
16 第一运行剂通道/第一阳极气体通道
17 流体屏障
18 第二运行剂通道/第二阳极气体通道
19 流体屏障
20 阳极供给装置
21 阳极供给路径
22 阳极废气路径
23 燃料箱
24 调整装置
25 燃料再循环管道
26 调整装置
30 阴极供给装置
31 阴极供给路径
32 阴极废气路径
33 压缩机
34 电动机
35 功率电子设备
36 涡轮
37 废气门管道
38 调整装置
39 加湿器模块
40 电功率系统
41 电压传感器
42 电流传感器
43 逆变器
44 能量存储器/电池组
45 直流转换器
50 驱动系统
51 牵引发动机
52 驱动轴
53 驱动轮
60 控制装置

Claims (10)

1.燃料电池堆叠（10），所述燃料电池堆叠具有在流体侧并联布置的单燃料电池（11）的至少两个相对彼此在流体侧串联布置的堆叠分段（Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ），其特征在于，所述燃料电池堆叠（10）被设立用于，改变在至少一个堆叠分段（Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ）中的所述单燃料电池（11）的数量。
2.按照权利要求1所述的燃料电池堆叠（10），其特征在于，所述燃料电池堆叠（10）还被设立用于，改变所述堆叠分段（Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ）的数量。
3.按照权利要求1或2所述的燃料电池堆叠（10），所述燃料电池堆叠具有彼此经由所述单燃料电池（11）来处于流体连接的、贯穿所述单燃料电池（11）的并且沿着所述堆叠方向（S）延伸的第一和第二运行剂通道（16、18），其特征在于，在所述第一运行剂通道（16）中布置有至少一个沿着堆叠方向（S）能够移动的流体屏障（17），所述流体屏障中断通过所述第一运行剂通道（16）的在两个相邻的单燃料电池（11）之间的运行剂流。
4.按照权利要求3所述的燃料电池堆叠（10），其特征在于，在所述第二运行剂通道（18）中，布置有至少一个沿着堆叠方向（S）能够移动的流体屏障（19），所述流体屏障中断通过所述第二运行剂通道（18）的在两个相邻的单燃料电池（11）之间的运行剂流。
5.按照权利要求3或4所述的燃料电池堆叠（10），其特征在于，所述流体屏障（17、19）彼此无关地沿着堆叠方向（S）以能够移动的方式来构造。
6.按照权利要求3至5之一所述的燃料电池堆叠（10），其特征在于，所述流体屏障（17、19）沿着堆叠方向（S）交替地布置在第一（16）和第二运行剂通道（18）中。
7.按照权利要求3至6之一所述的燃料电池堆叠（10），其特征在于，所述第一运行剂通道（16）与阳极供给装置（21）连接。
8.按照权利要求3至7之一所述的燃料电池堆叠（10），其特征在于，所述至少一个流体屏障（17、19）通过在运行剂通道（16、18）中沿着堆叠方向（S）能位移的柱塞来构成。
9.燃料电池系统（100），所述燃料电池系统包括按照权利要求1至8之一所述的燃料电池堆叠（10）和控制装置（60），所述控制装置被设立用于，根据所述燃料电池系统（100）的运行状态来改变至少一个分段（Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ）的单燃料电池（11）的数量。
10.车辆（200），所述车辆具有按照权利要求1至8之一所述的燃料电池堆叠（10）或者具有按照权利要求9所述的燃料电池系统（100）。
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