CN1222069C - 燃料电池系统和驱动该燃料电池系统的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及燃料电池系统和驱动该燃料电池系统的方法，包括通过连接至少一种保持工作状态的分系统、起动系统和/或夜间工作用低压单元和/或供电板而进行动态功率调整。

Description

燃料电池系统和驱动该燃料电池系统的方法
本发明涉及概括在权利要求1中的燃料电池系统。本发明还涉及驱动这种燃料电池系统的方法。
例如，由EP 0677411B1已知一种包括多个燃料电池组件的燃料电池系统。该文献提出根据结构将燃料电池模块(modul)划分成多个组件，因为要么是所需单个电池的数量超过固定燃料电池系统的组件，要么是运输工具中驱动单元的重量要求分成两个组件。
基本上与由DE19703171A和DE19637207A得出的一样，其中有两个燃料电池组件。这两个组件按单个系统进行工作的。另外，由JP04-087262A已知“用燃料电池产生能量的系统”，其中在第二个燃料电池中除了燃料外还有第一个燃料电池产生的废气。
已知的燃料电池系统的结构几乎不可能适应动态功率，例如在检修过程中，因为它们仅能通过较高的工作压力、较高的反应气体浓度等呈现连续的功率增大。此外，具有燃料电池系统的已知系统的不足是例如对于固定燃料电池系统的夏季工作和/或夜间工作、对于供电盘或作为活动系统动态工作的备件既不能提供低压机组也不能提供附件。
因此，本发明的目的是提供一种燃料电池系统，该系统能够提供动态功率匹配和/或低压机组。本发明的另一目的是提供一种驱动这一系统的方法。
本发明的目的是通过权利要求1的特征实现的。权利要求8给出了驱动这种燃料电池系统的有关方法。本发明的燃料电池系统的其它组成和有关的驱动方法是从属权利要求的主题。
本发明的主题是一种燃料电池系统，包括可分别驱动的分系统，其中，至少两个分系统是不同的，其中，分系统具有各自分开的电压调节和/或电功率。此外，本发明的主题是驱动这种燃料电池系统的方法，其中至少两个分系统是分别驱动的。
根据系统的一优选实施方案，分系统是电串联连接的，以使系统的电压值达到最大，约在小的分系统中，具有许多电池，但电极的面积较小。这种电池也称为“带状电池”，特征在于由燃料电池单元的电池平面构成不同的电位。在起动系统的结构中，应考虑到这种关系。为了使电流达到最大，将电压相同的分系统(例如通过带状电池串联连接)以并联连接。对此，应确保与负荷无关的驱动电机所需的电压。
根据本发明一优选的实施方案，系统的至少一个分系统包括至少一个高温-聚合物-电解质-膜(HTM)-燃料电池和/或聚合物-电解质-膜(PEM)燃料电池。
“分系统”是指具有至少一个燃料电池单元的堆积体或组件。既可将多个分系统安装在同一壳体中，也可将其分装在分开的壳体中。例如两个分系统可以分开，即独立地活化、驱动、控制和调节。每一分系统提供了总的工作电压，此外，只有一个分系统被用作低压机组。分系统的独立性既包括短时的元件，也包括驱动元件，即分系统可以依次地运行并且以不同的工作方式和第二个同时运行。同时包括两种方案的组合，其中一个分系统迟起动并且是在另一个工作条件下运行的。
例如，一个系统包括具有下列功率分配的3个分系统：10kW、20kW和再一个20kW。20kW组块足以在测量的电压值下起动，然后需要时，接通另一个组块以使动态功率增大。每一分系统提供全起动电压和/或工作电压。
根据另一实施例，并联和/或串联的组件是这样工作的：在该实施例中，燃料电池系统包括3个分开的组件，这些组件可以串联连接和/或并联连接：组件1的作用是稳定地供电并具有低的工作电压(电极的数量)和平均的电流功率(电极面积)，组件2具有的电极(电压)数量较多并且同样具有平均的电流功率，最后一个组件3在较高的电流功率下具有满工作电压，当然能持续较长的时间，直到达到工作温度。当组件1和2串联连接时，这样它们也能提供满工作电压，即起动系统所需的电压，例如与组件3的电压相当，尽管它们不提供系统的输出功率(与电流/电极面积有关)，但是它们可以快速地运行加热和随时可供使用。串联连接的组件1和2接通可以起动运输工具并且组件3不久进入运行加热，进行工作，组件1和2关闭或例如在检修过程中又被接通，如果所有的3个组件不能提供工作所需的全部总功率的话组件1可以分开使用供电盘。在高速公路上运行时，彼此间串联连接的组件1和2甚至与组件3并联连接，其中可使用产生电流和驱动运输工具的3个分开组件的总电极面积。
根据另一实施例，系统包括10个分系统，每一分系统的功率为5kW。在这种情况下，维护/修理相当简便，因为单个系统较小并且在损坏/维修时易于更换。
根据需要，可连接的分系统包括常规的燃料电池(大面积、高安培燃料电池)或带状电池(小面积、串联时具有高电压数值)，其中既需要较高的电压，又需要较高的电流。
根据本发明，分系统可以相同或不同。就功率、尺寸、材料、输出和/或燃料电池的种类而言，它们特别可以相同或不同，例如常规燃料电池(在基板上具有均匀的电位)和/或带状电池(在基板上具有不同的电位)；PEM、HTM燃料电池、PAFC(磷酸燃料电池)燃料电池、MCFC(熔融碳酸盐燃料电池)、DMFC(直接甲醇燃料电池)和/或SOFC(固态氧化物燃料电池)。
如果要求使分系统并联连接/分系统的电流功率达到最佳并且使分系统的差别较大，那么优选采用带状电池，这时，电池的电面积缩小。
“分别可驱动的”是指：分系统是独立的，即分开被活化的并可保持运行。分系统例如可通过冷却、工艺气体供入和/或电活化。这时，分系统例如通过其废气而被预热。
由同一申请人同时申请的名称相同的申请已知HTM燃料电池，该申请的全部内容引入本文。
HTM-(高温-聚合物-电解质-膜)燃料电池也称为HTM燃料电池单元，包括下列部件：
-膜和/或基质，
-包含化学和/或物理结合的固有离解和/或自动质子传递的电解质
-两个固定在膜和/或基质的相对两侧的电极
-与至少一个电极相邻的反应室，该反应室的四周被极板和/或一个对应的边界结构所密封，其中设有可将工艺气体输入反应室和从反应室排出的装置，
-其中HTM燃料电池构件的设置要使得长期保存时的低压不超过约0.3巴，温度不高于300℃。
根据方法的一优选实施方案，燃料电池系统是以一连续和间歇的组合方式工作的，即在工作期间，对功率峰值，至少可迅速地接通一个其他的分系统，以便在移动和固定系统中使用系统时具有良好的动态功率。
为了易于冷起动，根据一实施方案，在持续的工作中提供至少一个小的分系统，例如低压系统作为加热源，这个分系统或者保持在工作温度下，或者保持在高于电解质结晶点的另一温度下(例如高于40℃)，然后在这样的温度下加热剩余的用于起动的分系统。在方法的实施方案中，其中一个分系统持续地工作，这个分系统至少在为获得最低温度(例如对于自热起动过程)的静止期间优选是在以最大热效率进行工作的。在燃料电池系统断路时称作静止期。
根据需要，通过调节电池的电压使分系统的效率向较高电流或较高热效率方向调节。因而，也可通过调节装置根据预定的规则系统在一些测试数据和/或所需电流效率、热效率和/或运行要求等的情况下进行调节。为了获得更高的热效率，调节的目的例如是为了保持工作温度。
在方法的一个实施方案中，虽然“起动系统”不是连续工作的，但是在冷起动时首先仅在有限的小分系统中加热，或者通过绝缘、潜热储存器和/或加热使分系统温度达到高于电解质结晶点的温度，以便自热加热起动系统。如果提供一种组合系统PEM/HTM，其中PEM系统是起动系统，则是有利的，因为PEM系统已经可以在高于0℃的温度下自热起动，而具有Broenstedt酸例如磷酸作为电解质的HTM系统则在高于40℃的温度下才可自热起动。也可额外地配备一个储能器例如蓄电池以用于稳定运行。
作为“起动系统”是部分负荷工作的分系统，在高负荷工作的过程中(接通其他的分系统)和/或在满负荷工作的过程中，不仅通过废热，而且也可通过电功率的输出加热其他的分系统，然后可以连通下一个分系统。
根据一优选的实施方案，可以配备一额外的与起动系统无关的储能器，例如蓄电池，例如在移动应用中向工作单元提供起动用的能量并至少运行3-5分钟。
例如可以使用诸如用作低压系统或起动系统的小分系统的废热加热住宅或旅客舱室。
根据燃料电池系统和驱动方法的一优选实施方案，提供了一模数(modulare)的介质处理系统，以使该系统的四周例如燃料电池组件、转换器(Reformer)、压缩机(鼓风机)和风扇分别处于最佳的作用范围内工作。因而组件周边的机组可以存在于具有小单元的多个模块中，以便例如在燃料电池组件的部分负荷工作时，转换器模块是在多次满负荷下工作，其中，每一装置是在理想的作用范围内以最佳利用燃料的情况下运行。
在电牵引中使用的燃料电池系统中的HTM或PEM燃料电池系统的平均尺寸例如在电牵引时包括300个燃料电池单元。
起动系统提供起动所需的电压，例如100-500V，优选200V，此时，功率达到1-35kW，优选在10-20kW范围内。根据一实施方案，起动系统至少包括部分带状电池，以便在较小的空间中可产生所需的电压值。
用于低压供电板(例如42V网板)的系统例如包括20-60个燃料电池单元并且具有的最大功率约为1-10kW。
在起动时和/或在保持在工作温度下的静止期(保持负荷)和/或在低负荷(空转)的工作期间，冷却的串联连接是有意义的，以使分系统的冷却可用作其他分系统的热源。如果在气动时将多个组件串联连接，那么也是有利的，以使第一个组件的废气可加热最靠近的下一个组件。在多组件系统的单组件工作的情况下，组件的串联连接也是有利的，因为是由工作组件的废气的热量维持直接处于静止状态的组件的工作温度。
优选地是配备一个冷却空气和/或反应空气用的空气过滤器。
根据系统的一实施方案，由HTM燃料电池构成的至少两个分系统。在该实施方案中，两个分系统的冷却优选在驱动加热的状况下并联连接，这是因为两个分系统具有工作温度。
工作温度类似或相同的分系统在标准的工作状态下优选是冷却并联的。
在低于120℃的温度下和/或由于需保持的发射极限值，在配有转换器的HTM分系统中，优选纯化气体，以便释放工艺气体中的CO或降低其余气体中的CO含量。
根据系统的一实施方案，包括至少一个HTM燃料电池的至少一个分系统和至少一个聚合物-电解质-膜(PEM)燃料电池的一个分系统。
在该实施方案中，在驱动加热状态下，两个分系统的冷却是串联连接的，因为由PEM燃料电池分系统加热的冷却介质总是足够的冷，以便冷却具有HTM燃料电池的分系统，其中，该燃料电池是在很高的温度下工作的。
同样，在至少一种PEM燃料电池系统与一种HTM燃料电池系统组合时，提供由两部分组成的冷却系统，即一个低温冷却循环系统和一个高温冷却循环系统。在PEM燃料电池系统中，提供例如透氢阻挡膜形式的CO气体纯化装置。
这种组合系统特别适用于有供电板系统，其中PEM分系统优选用于低压供电板。
根据方法的一优选实施方案，在静止期通过加热而对燃料电池系统进行干燥，即例如在短时间工作时，当静止期和/或负载期短时，基本上使组件的温度保持在水的沸点温度以上。这可以在静止期例如通过调节达到保持负荷。优选是调节保持负荷，以适合于不同情况，燃料电池系统是切断3周还是切断3小时。
根据方法的另一实施方案，或通过加热配合进行干燥，或单独进行，在切断系统时，有工艺气体和/或惰性气体的系统至少吹过和/或干吹一个分系统和/或冷却系统，以便在起动时，系统尽可能地无水存在和/或冷却系统尽可能地放空。冷却系统的放空完全是独立的，与通过干吹组件的干燥无关。
在干吹时，对逸出的工艺气体和/或惰性气体流出的水含量进行的检测表明：当电池/组件干燥时鼓风机或压缩机可以关掉。因此，优选地是，通过调节机制停止、关闭吹干用的空气并且在出现空气潮润前密封组件。
根据方法的另一种实施方案，在静止期，外部储存的冷却介质可以在起动时和/或起动前从外部例如通过为此配置的系统的组件、通过废热利用和/或通过潜热贮存器加热并作为热介质输送到需起动的分系统的冷却系统中。
为此而需要的鼓风机可以是压缩机并且例如由该燃料电池系统的分系统和/或一个燃料电池系统的其它分系统和/或通过外部贮能器，尤其是电能供给功率。
可以配置燃料电池系统的分系统供应起动电流，例如如工艺气体预热的热源一样的供给单元、压缩机、转换器、鼓风机等。
作为燃料电池系统被称为总燃料电池系统，该系统至少两个分系统、或构成两个分开的组件，或组装在一个壳体中。分系统各自具有至少一个燃料电池单元、其相应的工艺气体输入通道和工艺气体排出通道、端板、带冷却剂的冷却系统和总的燃料电池组件的周边的(转换器、压缩机、鼓风机、工艺气体预热的热源等。)。
由至少一个燃料电池单元和与此有关的电路和冷却系统的至少一个部件的堆积体称作组件。
燃料电池单元包括至少一个具有化学和/或物理结合电解质的膜和/或基质、两个位于膜和/或基质两个相对侧的电极、与至少一个电极相邻的反应室、反应室通过各个极板和/或相应的周边结构与环境隔开，其中提供了一种装置，借助该装置可以将工艺气体输入和排出反应室。
根据本发明，燃料电池系统例如是一个不同的并且在任何条件下，提供系统可动态适应的功率输出。此外，仅在加速条件下，可配备接通的分系统，使该分系统在其静止期内通过正在工作的另一分系统的冷却循环、通过潜热贮存器或其他的类似装置(热源、绝缘、保持负荷)而总是保持在工作温度下。快速加热KFZ中的冷却水的潜热贮存器是已知的。贮存介质采用的是所谓的“相转变材料”例如氢氧化钡等。热的吸收或释放是通过材料的熔融或结晶而进行的。
通过该系统首次公开的其他可能性是将分系统用作“低压机组”或“起动系统”用于夏季或夜间工作、用于起动和/或用于供电板(持续的电流加热、空调设备、加热器、无线电等)作为APU(辅助电源)。这种分系统工作时的额定功率低，例如为1-50kW(相当于整个系统额定功率的约5-20％)。这种起动系统与低压机组根据本性的区别是所具有的电压值，因为起动系统供应驱动运输工具所需的电压。

Claims (15)

1.一种具有至少两个分系统的燃料电池系统，所述分系统分别具有一个由电串联连接的单个燃料电池单元构成的燃料电池堆积体，其特征在于：有分开的分系统存在，其中，至少两个分系统具有不同的功能特性并且具有分开的电压调节和/或电功率，使得燃料电池系统的电压和/或功率可以与不同的消耗情况匹配。
2.根据权利要求1的燃料电池系统，其特征在于：至少两个分系统是电并联的。
3.根据权利要求1的燃料电池系统，其特征在于：系统的至少一个分系统包括至少一个高温-聚合物-电解质-膜燃料电池单元、带状电池和/或聚合物-电解质-膜燃料电池单元。
4.根据权利要求1的燃料电池系统，其特征在于：包括至少一个起动系统和/或低压机组。
5.根据权利要求4的燃料电池系统，其特征在于：起动系统包括至少有一个聚合物-电解质-膜燃料电池单元。
6.根据权利要求1的燃料电池系统，其特征在于：存在有至少两个具有两个冷却循环的分系统，它可以串联连接和/或并联连接。
7.根据权利要求1的燃料电池系统，其特征在于：配备有另外的贮能器，例如蓄电池。
8.一种驱动根据权利要求1-7中任一项的燃料电池系统的方法，其包括下列步骤：
提供具有至少两个分系统的燃料电池系统，所述分系统分别具有一个由电串联连接的单个燃料电池单元构成的燃料电池堆积体，其中有分开的分系统存在；以及
使至少两个分系统具有不同的功能特性并且具有分开的电压调节和/或电功率，使得系统的电压和/或功率可以与不同的消耗情况匹配，其中这两个分系统是分别活化和/或驱动的。
9.根据权利要求8的方法，分系统的驱动以连续和间歇地的进行工作。
10.根据权利要求8的方法，其中采用至少一个起动系统开始冷起动燃料电池系统。
11.根据权利要求8的方法，采用一种数模介质处理以确保燃料的理想利用。
12.根据权利要求8的方法，其中在静止期，至少一个低压分系统和/或小电流分系统保持在负荷下进行工作。
13.根据权利要求8的方法，其中在起动和/或在保持负荷的静止期和/或在低负荷的工作期，组件的冷却是串联接通的。
14.根据权利要求8的方法，其中燃料电池系统在静止期通过加热和/或干吹进行干燥并且在空气潮湿前通过阀/活门进行密封。
15.根据权利要求8的方法，其中通过调节电池电压使分系统的效率向更高电压或更高热效率方向上调节。
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