CN116670872A - 用于确定氢纯度的装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于确定氢纯度的设备(1)，包括：测量燃料电池级联体(2)，其具有至少一个测量燃料电池(3)、氢输入端(4)和氢输出端(5)，还包括：与所述测量燃料电池级联体(2)电连接的电池电压监控单元(6)和在氢的流动方向上设置在所述测量燃料电池级联体(2)下游的阀(8)以实现所述测量燃料电池级联体(2)的死端运行，所述电池电压监控单元监控所述测量燃料电池级联体(2)的电压输出(7)，其中所述用于确定氢纯度的设备(1)还包括与所述电池电压监控单元(6)连接的评估单元(9)，所述评估单元从所述电池电压监控单元(6)根据时间接收与所述测量燃料电池级联体(2)的电压输出(7)相对应的信号，其中所述评估单元(9)构成用于从所接收的信号中求取所述氢纯度。本发明还涉及一种用于确定氢纯度的方法。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于确定氢纯度的设备。此外，本发明还涉及一种包括这种设备的燃料电池装置。最后，本发明涉及一种用于确定氢纯度的方法。
背景技术
在燃料电池中，通过氢(H2)和氧(O2)电化学化合成水(H2O)来高效率地产生电流。氢和氧化合的过程在电解质处进行。单个燃料电池提供最大约为1.1V的运行电压。因此，大量的燃料电池通常联合成燃料电池堆。利用串联连接的燃料电池，能够产生100V或更高的运行电压。
在运行期间，给燃料电池输送含氢的气体和含氧的气体。这两种气体在下文中称为工作气体。例如，甲烷、天然气、煤气或纯氢(H2)用作为燃料气体。空气通常用作为氧化气体，但也使用纯氧(O2)。为了运行燃料电池，燃料气体被引导到燃料电池的阳极气体室中，从该处通过气体可透过的阳极到达电解质。氧化气体被导入燃料电池的阴极气体室中并且从该处通过同样气体可透过的阴极也到达电解质。根据电解质对氧或氢离子的可透过性，来自氧化气体的氧离子和来自燃料气体的氢离子被聚集在电解质的一侧或另一侧，由此于是通过氢和氧电化学化合成水来产生电流并且也产生热量。
为了无故障运行，燃料电池需要纯度足够高的工作气体，即氢。在工业气体中，纯度借助于代码值来表达。在此，第一数字表示“九”的数量，第二数字是不同于“九”的第一个小数位。例如，氢5.0代表如下纯度，其中氢的体积份额为99.9990％。目前无法以足够高的精度连续地确定用于燃料电池中的运行的氢的质量/纯度。
总的来说，目前只能非常费事地测量氢的气体质量。所述测量借助于气相色谱仪执行，所述气相色谱仪被馈入气体样品。这些气体样品必须从工作气体中获取，以便能够检查相应的纯度。然而，这种测量方法的精度也有其局限性(在标准测量构造中无法检测到5.0氢的质量)并且也无法确定所有杂质气体份额。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于确定氢纯度的设备，所述设备实现气体质量的确定。尤其地，所述设备应实现连续地确定气体质量。此外，本发明的目的是提供一种具有用于确定氢纯度的设备的燃料电池装置。最后，本发明的目的是提供一种相应的用于确定气体尤其氢的纯度的方法。
本发明通过如下方式实现针对用于确定氢纯度的设备的目的：所述设备提出：这种用于确定氢纯度的设备，包括测量燃料电池级联体，所述测量燃料电池级联体具有至少一个测量燃料电池、氢输入端和氢输出端，所述设备还包括与测量燃料电池级联体电连接的电池电压监控单元，所述电池电压监控单元监控测量燃料电池级联体的电压输出；和沿着氢的流动方向设置在测量燃料电池级联体下游的阀，以实现测量燃料电池级联体的死端运行(Dead-End-Betrieb)；与电池电压监控单元连接的评估单元，所述评估单元从电池电压监控单元根据时间接收与测量燃料电池级联体的电压输出相对应的信号，其中评估单元构成用于从所接收的信号中求取氢的纯度。
本发明提出在氢侧(阳极侧)上的死端运行以及在阴极侧上的氧或空气运行。死端运行表示在无再循环并废气阀完全关闭的情况下的运行。通过氢侧上的死端运行能够根据电池电压变化曲线U(t)和例如冲洗频率非常清楚地报告氢纯度(甚至达到5.0)。
在此有利的是，评估单元包括微处理器，所述微处理器配置为，使得其将对应于测量燃料电池级联体的电压输出的信号与一库的所存储的电压输出进行比较。
针对燃料电池装置的目的通过一种燃料电池装置来实现，所述燃料电池装置包括燃料电池堆，所述燃料电池堆具有至少两个在氢的流动方向上相继连接的、分别包括多个串联连接的燃料电池的燃料电池级联体，所述燃料电池级联体经由氢管路相互连接，其中至少一个水分离器设置在氢管路中，其中燃料电池装置还包括用于确定氢纯度的设备，其中测量燃料电池级联体在氢流动方向上是燃料电池堆中最后的燃料电池级联体。氢流动路径越长，由于杂质而可观察到的呈电压变化的效果就越强/越快地出现或者氢纯度的确定就越准确。也就是说，与利用仅一个单个非级联的燃料电池堆相比，通过级联能够实现更高的效果。
在燃料电池运行期间，产物水和惰性气体还有其他杂质会到达燃料电池的阳极侧并且最终积累起来，尤其在阳极废气路径中。产物水会导致设施部件的损坏以及流动路径的堵塞。因此，使用水分离器是有意义的。
替选的燃料电池装置包括燃料电池堆，所述燃料电池堆具有包括多个串联连接的燃料电池的燃料电池级联体，其中燃料电池装置还包括用于确定氢纯度的设备，在所述替选的燃料电池装置中，测量燃料电池级联体就氢供应来看与燃料电池堆并联连接。通过这种方式，“主路径”能够连续运行，同时能够经由并联连接的用于确定纯度的设备监控电池电压并且确定氢纯度。
针对方法的目的通过一种用于确定氢纯度的方法来实现，其中氢经由氢输入端被输送给具有至少一个测量燃料电池的测量燃料电池级联体，在氢的流动方向上设置在测量燃料电池级联体下游的阀被关闭，以实现测量燃料电池级联体的死端运行，并且对测量燃料电池级联体的电压进行测量，其中氢纯度经由测量燃料电池级联体的电压根据时间来求取。
测量的性质是其不可能是任意精确的。这是由于测量设备的受制于构型的精度，还可能是由于其对待测量的变量的影响(例如，测量仪器可能作为电能的附加“消耗器”出现)。最后，测量值本身可能经受波动。因此，适宜的是，在测量期间改变尽可能少的参数。当在确定电池电压的情况下氢运行电流保持恒定时，存在这种情况。
因此，也有利的是，重复测量电池电压并且预先确定两次测量之间的时间。
替选地，也能够有利的是，确定直到电池电压从第一电压值下降到第二电压值所经过的时间。
适宜的是，将求取的值与先前已知的值进行比较并且从中推导出氢的纯净度。
氢的流动路径的延长在持续时间或精确性方面改进测量。因此，有利的是，在燃料电池装置中，具有至少一个测量燃料电池的测量燃料电池级联体设置为在氢流动方向上最后的燃料电池级联体，并且对测量燃料电池级联体的电池电压进行测量。
替选于在燃料电池堆的端部处的测量，能够有利的是，在燃料电池装置中，具有至少一个测量燃料电池的测量燃料电池级联体在氢流动方向上与其他燃料电池级联体并联地设置，并且对测量燃料电池级联体的电池电压测量。
借助于本发明，能够通过耗尽燃料电池中的反应气体和经由气体消耗测量相应的电池电压来确定气体质量或气体纯度。该过程能够持续地一起进行，例如在相对于主体积流的旁路中进行，以便获得近似连续的测量。
附图说明
根据附图示例性地详细阐述本发明。示意性地并且不按比例地示出：
图1示出在根据本发明的用于确定氢纯度的设备串联设置的情况下的燃料电池装置，
图2示出在根据本发明的用于确定氢纯度的设备并联设置的情况下的燃料电池装置，
图3示出在燃料电池的死端运行中的电池电压的变化曲线，其周期性地被相对短的冲洗过程中断，
图4示出在预设的时间点进行电压测量的情况下不同纯度的氢的电池电压变化曲线，以及
图5示出在进行时间测量的情况下不同纯度的氢的电池电压的变化曲线。
具体实施方式
图1示出燃料电池装置10，其包括具有三个燃料电池级联体11的燃料电池堆13，所述燃料电池级联体经由氢管路14相互连接。每个燃料电池级联体11能够由多个串联电连接的燃料电池12构造并且具有氢输入端4和氢输出端5。在氢流动方向上在燃料电池级联体11下游在氢管路14中分别设置有水分离器15。
在图1中示出的根据本发明的燃料电池装置10的实施方式中，氢纯度的确定在用于确定氢纯度的设备1的串联设置中进行。为此，称为测量燃料电池级联体2的燃料电池级联体11作为在氢的流动方向上最后的燃料电池级联体11设置在燃料电池堆13中。在此，测量燃料电池级联体2包括至少一个测量燃料电池3。在测量燃料电池级联体2内，首先被供应的燃料电池12优选用作为测量燃料电池3。
根据本发明，氢纯度的确定经由对测量燃料电池级联体2处的电压的测量来进行。出于该目的，电池电压监控单元6与测量燃料电池级联体2电连接。此外，阀8在氢的流动方向上设置在测量燃料电池级联体2下游，所述阀实现测量燃料电池级联体2或整个燃料电池装置10的死端运行。
根据本发明，用于确定氢纯度的设备1还具有与电池电压监控单元6连接的评估单元9，所述评估单元从电池电压监控单元6根据时间接收与测量燃料电池级联体2的电压输出7相对应的信号，其中评估单元9构成用于从所接收的信号中求取氢纯度。
评估单元9包括微处理器，所述微处理器配置为，使得其将对应于测量燃料电池级联体2的电压输出7的信号与一库的所存储的电压值进行比较。
图2示出根据本发明的用于确定氢纯度的设备1的第二实施方式，其中，相对于燃料电池12串联电连接的燃料电池级联体11，具有至少一个测量燃料电池3的测量燃料电池级联体2与燃料电池级联体11就氢供应而言并联连接。借助于电池电压监控单元6可测量具有至少一个测量燃料电池3的测量燃料电池级联体2的电压。
图3示出在测量燃料电池级联体2的死端运行中电池电压16的时间上的变化曲线。电压曲线并不类似于倾斜振荡或锯齿振荡，只是在当前情况下，电压曲线16基本上连续地下降，以便当在经由阀8进行冲洗时突然上升。如果测量燃料电池级联体2在死端运行中起动，那么为了测量燃料电池级联体2的稳定、高效且保护材料的运行，定期冲洗阳极侧(＝氢侧)是很重要的，以便去除不期望的物质，如惰性气体或反应水。出于该目的，阀8被周期性地打开，其中与关闭阶段相比，打开阶段短。
该过程通常极其规律地进行并且要么被预设要么根据负载电流强度和所产生的反应水的量来确定，这是较耗费的但是也实现燃料电池的更有效的运行。电流强度或电荷量越大，则必须越频繁地冲洗。
在燃料电池的中等负荷的情况下，在几秒钟至几分钟的间隔中，阳极输出侧上的阀8必须打开1-2秒(“清洗”)。
在相对短的冲洗过程结束时，电池电压再次到达最大值。
本发明提出在氢侧上的死端运行以及在阴极侧上的氧或空气运行。通过氢侧上的死端运行能够根据电池电压变化曲线U(t)和冲洗频率非常清楚地报告氢纯度(甚至达到5.0)。
然而，根据本发明，并不一定需要经由清洗频率来确定氢纯度。根据在图4和图5中的时间上的电压变化曲线示出示例。在此，图4示出第一替选方案，其中自所确定的第一电压值起在所给定的时间点或在经过所给定的时间之后测量第二电压值。相反，在图5中示出的第二替选方案确定如下时间，在所述时间之后所测量的电压低于先前定义的电压值。
Claims (11)
1.一种用于确定氢纯度的设备(1)，所述设备包括：测量燃料电池级联体(2)，所述测量燃料电池级联体具有至少一个测量燃料电池(3)、氢输入端(4)和氢输出端(5)；还包括：与所述测量燃料电池级联体(2)电连接的电池电压监控单元(6)和在氢的流动方向上设置在所述测量燃料电池级联体(2)下游的阀(8)以实现所述测量燃料电池级联体(2)的死端运行，所述电池电压监控单元监控所述测量燃料电池级联体(2)的电压输出(7)，其特征在于，所述用于确定氢纯度的设备(1)还包括与所述电池电压监控单元(6)连接的评估单元(9)，所述评估单元从所述电池电压监控单元(6)根据时间接收与所述测量燃料电池级联体(2)的电压输出(7)相对应的信号，其中所述评估单元(9)构成用于从所接收的信号中求取所述氢纯度。
2.根据权利要求1所述的设备(1)，其中所述评估单元(9)包括微处理器，所述微处理器配置为，使得所述微处理器将对应于所述测量燃料电池级联体(2)的电压输出(7)的信号与一库的所存储的电压输出进行比较。
3.一种燃料电池装置(10)，所述燃料电池装置包括燃料电池堆(3)，所述燃料电池堆具有至少两个在氢的流动方向上相继连接的、分别包括多个串联连接的燃料电池(12)的燃料电池级联体(13)，所述燃料电池级联体经由氢管路(14)相互连接，其中至少一个水分离器(15)设置在所述氢管路(14)中，其中所述燃料电池装置(10)还包括根据权利要求1或2所述的用于确定氢纯度的设备(1)，其中所述测量燃料电池级联体(2)在氢流动方向上是所述燃料电池堆(13)中最后的燃料电池级联体(11)。
4.一种燃料电池装置(10)，所述燃料电池装置包括燃料电池堆(13)，所述燃料电池堆具有包括多个串联连接的燃料电池(12)的燃料电池级联体(11)，其中所述燃料电池装置(10)还包括根据权利要求1或2所述的用于确定氢纯度的设备(1)，其中所述至少一个测量燃料电池级联体(2)相对于氢供应与所述燃料电池堆(13)并联连接。
5.一种用于确定氢纯度的方法，其中将氢经由氢输入端(4)输送给具有至少一个测量燃料电池(3)的测量燃料电池级联体(2)，关闭在氢的流动方向上设置在所述测量燃料电池级联体(2)下游的阀(8)以实现所述测量燃料电池级联体(2)的死端运行，并且测量所述测量燃料电池级联体(2)的电压，其特征在于，氢通过所述电压根据时间来求取氢纯度。
6.根据权利要求5所述的方法，其中在确定所述电池电压时，将氢运行电流保持恒定。
7.根据权利要求5或6所述的方法，其中，重复测量所述电池电压，并且预先确定两次测量之间的时间。
8.根据权利要求5或6所述的方法，其中，确定直到所述电池电压从第一电压值下降到第二电压值所经过的时间。
9.根据权利要求5至8中任一项所述的方法，其中，将所求取的值与预先已知的值进行比较，并且从中推导出氢的纯净度。
10.根据权利要求5至9中任一项所述的方法，其中在燃料电池装置(10)中将具有至少一个测量燃料电池(3)的测量燃料电池级联体(2)设置为在氢流动方向上最后的燃料电池级联体(11)，并且测量其电池电压。
11.根据权利要求5至9中任一项的方法，其中在燃料电池装置(10)中，将具有至少一个测量燃料电池(3)的测量燃料电池级联体(2)在氢流动方向上与其他燃料电池级联体(11)并联设置，并且测量电池电压。
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