CN111587505A - 用于h2/o2燃料电池的具有压力差控制的燃料电池装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种燃料电池装置(10)，它具有与H2输入端(48)相连接的阳极(26)和与O2输入端(50)相连接的阴极(30)，其中，在氢气H2输入端(48)和O2输入端(50)之间设置有压力差调控装置(52)，用于调控H2输入端(48)和O2输入端(50)之间的压力差，所述压力差调控装置(52)在H2输入端(48)和O2输入端(50)之间具有一流体连接(54)，该流体连接中设有一可偏转的膜片(56)，该膜片与一销(64)耦合，当膜片(56)发生偏转时，所述销将一设置在H2输入端(48)中的阀(58)打开。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于氢氧燃料电池的燃料电池装置。
背景技术
在燃料电池中，所储存的化学能被转换成电能，其中，反应物中的一方被氧化，而反应物中的另一方被还原。在氢氧燃料电池(H2/O2燃料电池)中，氢气(H2)通过在阳极处释放电子而被氧化，与此同时，氧气(O2)通过在阴极处接受电子而被还原。通过该氧化还原反应，存储在反应物中的化学能被转换成阳极或阴极处的电能，并且该电能可从阳极或阴极被提取并加以利用。
这方面的一种典型使用方式是将所获取的电能用于驱动机动车辆，其中，以化学形式所蓄积能量转换成电能的效率可高达60％。
在使用这种H2/O2燃料电池时，氢气可在具有大约350巴至700巴压力的氢气储罐中提供使用。
图4示出一种现有技术中已知的、可用于驱动机动车辆的、典型的燃料电池装置。
图4中的燃料电池装置10具有氢气储罐12，它为H2/O2燃料电池16中的氧化还原反应提供氢气14。为防止故障情况下氢气14从氢气储罐12中失控逸出，紧接在氢气储罐12后设有截止阀18。氢气14以大约350巴至700巴的高压存储在氢气储罐12中。在高压下供应的该氢气14通过减压器20减压到大约10巴至70巴中压范围内的较低压力水平。在该压力水平下，氢气14经由管路22和氢气计量阀24被输入到H2/O2燃料电池16的阳极26。氢气14通过氢气计量阀24有针对性的进行配给。在阳极26处氢气14的压力低至约0.8巴到4巴的范围。通过从中压到低压的压降，在氢气计量阀24中对氢气流量进行调节。通过以规定流量的氢气14充填阳极构成的封闭容积，可实现阳极26中压力的调控。由此在阳极26区域容积中设置氢气14的规定压力。
在H2/O2燃料电池16中，氢气14与输入H2/O2燃料电池16的阴极30的氧气28发生反应。氧气28通过单独的供给单元32输入到阴极30，该供给单元确保在该区域中具有足够的规定压力下的氧气28可供使用。
在阳极26侧，由于氢气14与氧气28的反应，氢气14的浓度随时间的流逝而降低。为确保始终有足够的氢气14可供用于H2/O2燃料电池16的运行，氢气14在阳极26的区域内再循环。这可例如通过气体鼓风机34或喷射器完成。在此，氢气14从阳极26输出端36被馈送回阳极26的输入端38。由此在阳极26内进行气体交换，其中，阳极26中容积内未使用的氢气14可用于与氧气28的反应。
如果阳极26的容积内不再有足够的氢气14，则将气体通过排放阀40导引出该容积。氢气计量阀24给阳极26增加新配给的氢气14。在此，重要的是保持阳极26侧有规定的压力。这是因为，氢气14与氧气28的反应要求在阳极26和阴极30之间存在压力差。同时必须注意，在阳极26和阴极30之间压力差太大时，设置在阳极26和阴极30之间的膜片42不得被损坏。
为调控该压力差，通过传感器44对阳极侧和阴极侧的压力进行测量。电子控制单元46借助于控制算法对氢气计量阀24进行有针对性的设置，以使阳极26中的压力被调控在预定范围内，并在阳极26与阴极30之间存在氢气14与氧气28进行反应所需的压力差。
因此，至此已通过由传感器44、电子控制单元46和一个或多个电动液压氢气计量阀24构成的复杂调节装置实现了对阳极26中的压力以及阳极26与阴极30之间所需压力差的精确调控。
发明内容
本发明的任务是提出一种在此方面简化的燃料电池装置。
该任务通过一种具有权利要求1所述特征组合的燃料电池装置解决。
本发明有益的设计方案是从属权利要求的标的。
一种用于H2/O2燃料电池的燃料电池装置具有阳极，运行期间H2在阳极处被氧化，并且阳极与用于向阳极输入H2的H2输入端相连接，其中，在H2输入端中设置有带阀座和阀元件的阀，阀座和阀元件在关闭位置协同作用以中断从H2输入端到阳极的H2输入。此外，燃料电池装置具有阴极，运行时O2在阴极处被还原，并且阴极与用于向阴极输入O2的O2输入端相连接。在H2输入端和O2输入端之间，设置有用于调控H2输入端和O2输入端之间压力差的压力差调控装置，其中，压力差调控装置在H2输入端和O2输入端之间具有一流体连接，在该流体连接中设有用于封闭该流体连接的膜片，该膜片能通过由于H2输入端和O2输入端之间的压力差引起的偏转力而偏转/移位。一销与可偏转膜片和阀元件耦合，使得在膜片朝H2输入端方向偏转时销将阀元件沿打开方向从阀座挤开。
由此，所述燃料电池装置可仅凭一个部件，即压力差调控装置，在无附加传感器的情况下对H2输入端和O2输入端之间的压力差以及由此对阳极和阴极之间的压力差进行调控。该系统以稳固、紧凑的结构构建，并由于系统可以纯机械方式构建，因此也可省略电气控制单元。
提供改进型氢气计量阀的压力差调控装置作用如下：O2输入端中相对于阴极的压力作用在可偏转膜片上，由此，可偏转膜片的位置根据H2输入端和O2输入端之间的压力差发生变化。由于膜片位置的改变，与膜片耦合的销压挤在阀元件上，由此，阀元件的位置发生变化，并且阀座上的横截面被打开。根据横截面开通情况，对阳极中H2输入端的氢气输入加以控制。
因此，输入阳极的氢气量由作用在H2输入端中的压力和作用在O2输入端中的压力之间的力平衡以及阀元件或阀座上的压力面积得出。通过这种结构，可在燃料电池装置运行期间设置恒定的压力差。
在流体连接中，优选与可由通过H2输入端和O2输入端之间的压力差引起的偏转力偏转、构成第一膜片的膜片隔开，设置用于封闭流体连接的第二可偏转膜片。
第一膜片优选朝H2输入端封闭流体连接，其中，第二膜片朝O2输入端封闭流体连接。
在有益的设计方案中，通过在流体连接中第一膜片和第二膜片彼此隔开的设置构成压力传输容积，该压力传输容积充填有压力传输流体，它将通过H2输入端和O2输入端之间的压力差施加的偏转力从第二膜片传输到第一膜片。
在阴极输入端、即在O2输入端上的压力作用在阴极区域中的第二膜片上。阴极区域中的压力越大，第二膜片的变形就越大，并作用于压力传输容积中的压力传输流体上。压力传输流体又在H2输入端继续作用在第一膜片上，即作用在阳极区域。从第一膜片的另一侧，压力在阳极区域、即在H2输入端作用在第一膜片上，由此，第一膜片的位置取决于阴极输入端即O2输入端的压力与阳极区域中即H2输入端中压力之间的压力差。
第一膜片和第二膜片优选具有用于承受偏转力的不同作用面积。因此，可通过两个膜片作用面积的比例从结构上对第一膜片位置与H2输入端和O2输入端之间压力差的依赖性进行设置。
第一膜片的第一作用面积小于第二膜片的第二作用面积是有益的。由此，即使在H2输入端和O2输入端之间压力差很小情况下，也可实现第一膜片足够大的偏转，并由此实现阀元件从阀座的提升。
阀优选具有压缩弹簧，该压缩弹簧设置在H2输入端中，并在阀元件上施加一弹簧力，该弹簧力沿关闭方向将阀元件预紧在阀座上。通过压缩弹簧的设置可使阀元件在关闭位置安全可靠地保持在阀座上。由此，作用在H2输入端的氢气压力以与压缩弹簧的弹簧力相同的方向发挥作用，使得阀元件通过流动氢气的作用力以及压缩弹簧的作用力安全可靠地保持在阀座中。
优选设置一执行机构，用于调控压缩弹簧的弹簧力。通过设置这样一种执行机构，可附加调节出力平衡。由此，还可附加地对阴极和阳极之间要调控的压力差进行微调。
执行机构例如可由可控的压电执行机构构成。在一作为替代选择的设计方案中，执行机构可由可控的电磁执行机构构成。然而，在另一可能的实施方式中，也可设想由带主轴/丝杠的可调控的电机构成执行机构。
附图说明
下面根据附图详细解释本发明有益的设计方案。附图中：
图1示出具有燃料电池和氢气计量阀的燃料电池装置的概况示意图。
图2示出第一实施方式中图1所示燃料电池装置一部分区域的细节示意图；
图3示出第二实施方式中图1所示燃料电池装置一部分区域的细节示意图；以及
图4示出源于现有技术带有氢气计量阀的燃料电池装置的概况示意图。
具体实施方式
图1示出具有H2/O2燃料电池16的燃料电池装置10的概况视图，所述H2/O2燃料电池包括阳极26和阴极30。氢气14在阳极26中被氧化，与此同时氧气28在阴极30中被还原。为供给阳极26，设置了氢气储罐12，它在高压下存储氢气14。通过其中设有截止阀18和减压器20的管路22，氢气14输入氢气计量阀24，它对通往阳极26的H2输入端48中氢气14的压力、并由此对阳极26中的压力进行设置。氧气28通过O2输入端50输入给阴极30。
阳极26的输入端38通过气体鼓风机34与阳极26的输出端36相连接，以使氢气14能再循环。如果氢气14和氧气28之间的反应消耗了大部分氢气14，则可通过排放阀40从阳极26将用过的气体从阳极26排出。随后，氢气计量阀24通过H2输入端48将新鲜氢气14配给到阳极26。
氢气计量阀24被设计为压力差调控装置52，它对H2输入端48和O2输入端50之间的压力差Δp进行调控。
图2中的燃料电池装置10更详细示出压力差调控装置52的第一实施方式的结构。
压力差调控装置52在H2输入端48和O2输入端50之间有一流体连接54。在流体连接54中设置有第一膜片56，它可通过H2输入端48和O2输入端50之间的压力差Δp和由压力差引起的偏转力FA从其位置偏转。
H2输入端48中设置有带阀元件60和阀座62的被动阀58。在关闭位置，阀座62和阀元件60协同作用，由此使阀58关闭。
一销64与第一膜片56和阀元件60耦合。一旦第一膜片56朝H2输入端48方向偏转，第一膜片56就将销64挤压到阀元件60上，从而使阀元件从阀座62抬起，并且阀58被打开。由此H2输入端48向阳极26的通路被打开，氢气14可流向阳极26。
在流体连接54中设有第二膜片66，它与第一膜片56隔开，第二膜片的位置也同样可通过压力差Δp被加以改变。
第一膜片56朝H2输入端48封闭流体连接54，与此同时第二膜片66朝O2输入端50封闭流体连接54。通过流体连接54中两个膜片56和66的隔开设置，在流体连接54中构成力传输容积68，其中，该压力传输容积68被充填有压力传输流体70。如果现在第二膜片66通过H2输入端48和O2输入端50之间的压力差Δp朝H2输入端48方向偏转，则压力传输流体70将由其引起的偏转力FA从第二膜片66传输到第一膜片56上，并由此打开阀58。
O2输入端50中的压力越大，第二膜片66变形越大，并且该变形对压力传递容积68中压力传输流体70的作用就越大。此外，压力传输流体70在H2输入端48的区域中继续作用于第一膜片56。阳极26区域内的压力从H2输入端48一侧作用于第一膜片56上，由此，第一膜片56的位置取决于O2输入端50和H2输入端48之间的压力差Δp。该第一膜片56位置对压力差Δp的依赖性可通过膜片56和膜片66作用面积AW的比例从结构上加以设置。例如，如果第一膜片56有小于第二膜片66的作用面积AW，那么一小压力差Δp的作用也会造成第一膜片56相对较大的偏转，并由此造成阀58的快速打开。
通过第一膜片56的位置改变，销64挤压阀元件60，由此，阀元件60的位置相对于阀座62发生变化，从而开通一横截面。根据所得横截面，阳极26中的氢气14输入被加以控制。
此外，阀58具有压缩弹簧72，它设置在H2输入端中，并在阀元件60上施加一弹簧力FF，由此，阀元件60沿关闭方向被预紧在阀座62上。阀元件60的预紧可通过弹簧力FF设置，由此可对将阀元件60从阀座62上抬起所需的偏转力FA施加影响。
因此，输入到阳极26的氢气量由O2输入端50中的压力、H2输入端48中的压力、阀元件60和阀座62上的作用面积AW以及将阀元件60保持在其位置和从销64相反侧作用在阀元件60上的压缩弹簧72的弹簧力FF的力平衡得出。
通过这种力平衡，燃料电池16运行时可在阳极26和阴极30之间调节出恒定的压力差Δp。
图3示出燃料电池装置10的第二实施方式的示意图，该燃料电池装置结构与图2所示第一实施方式基本相同。第二实施方式仅附加设置了一执行机构74，它可调控压缩弹簧72的弹簧力FF。因此，力平衡可通过例如由压电执行机构、带主轴的电机或电磁体构成的执行机构74施加影响。由此，还可额外对阴极30和阳极26之间要调控的压力差Δp进行微调。
Claims (9)
1.一种用于H2/O2燃料电池(16)的燃料电池装置(10)，它具有：
-阳极(26)，在运行期间H2(14)在该阳极处被氧化，并且该阳极与H2输入端(48)相连接，该H2输入端用于将H2(14)输入到阳极(26)，其中，在H2输入端(48)中设有带阀座(62)和阀元件(60)的阀(58)，阀座和阀元件在关闭位置协同作用以中断H2(14)从H2输入端(48)向阳极(26)的输入，
-阴极(30)，在运行期间O2(28)在该阴极处被还原，并且该阴极与O2输入端(50)相连接，该O2输入端用于将O2(28)输入到阴极(30)，
其中，在H2输入端(48)和O2输入端(50)之间设有压力差调控装置(52)，用于调控H2输入端(48)和O2输入端(50)之间的压力差，
所述压力差调控装置(52)在H2输入端(48)和O2输入端(50)之间具有一流体连接(52)，在该流体连接中设有用于封闭该流体连接(54)的膜片(56)，该膜片能通过由于H2输入端(48)和O2输入端(50)之间的压力差(Δp)而引起的偏转力(FA)偏转，其中，一销(64)与可偏转膜片(56)和阀元件(60)耦合，使得在膜片(56)朝H2输入端(48)的方向偏转时，销(64)将阀元件(60)沿打开方向从阀座(62)挤开。
2.根据权利要求1所述的燃料电池装置(10)，
其特征在于，在所述流体连接(54)中设有用于封闭该流体连接(54)的可偏转的第二膜片(66)，该第二膜片与构成第一膜片(56)的能通过由于H2输入端(48)和O2输入端(50)之间的压力差(Δp)而引起的偏转力(FA)偏转的膜片(56)隔开。
3.根据权利要求2所述的燃料电池装置(10)，
其特征在于，第一膜片(56)朝H2输入端(48)封闭所述流体连接(54)，第二膜片(66)朝O2输入端(50)封闭所述流体连接(54)。
4.根据权利要求2或3所述的燃料电池装置(10)，
其特征在于，通过在所述流体连接(54)中彼此隔开地设置第一膜片和第二膜片(56、66)，形成压力传输容积(68)，该压力传输容积充填有压力传输流体(70)，该压力传输流体将通过H2输入端(48)和O2输入端(50)之间的压力差(Δp)施加的偏转力(FA)从第二膜片(66)传输到第一膜片(56)。
5.根据权利要求4所述的燃料电池装置(10)，
其特征在于，第一膜片(56)和第二膜片(66)具有用于承受偏转力(FA)的不同作用面积(AW)。
6.根据权利要求5所述的燃料电池(10)，
其特征在于，第一膜片(56)的第一作用面积(AW)小于第二膜片(66)的第二作用面积(AW)。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的燃料电池装置(10)，
其特征在于，所述阀(58)具有压缩弹簧(72)，该压缩弹簧设置在H2输入端(48)中并将一弹簧力(FF)施加在所述阀元件(60)上，所述弹簧力将所述阀元件(60)沿关闭方向预紧在所述阀座(62)上。
8.根据权利要求6所述的燃料电池装置(10)，
其特征在于，设有执行机构(74)，用于调控压缩弹簧(72)的弹簧力(FF)。
9.根据权利要求8所述的燃料电池装置(10)，
其特征在于，所述执行机构(74)由可控的压电执行机构、可控的电磁执行机构或由带有主轴的可控的电机构成。
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