CN101322270B - 带定量给料单元的燃料电池装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种具有燃料电池单元(6)的燃料电池装置，其中，设有包括至少一个定量给料阀门(7)的定量给料单元(8)和启动阀门(9)，其中，定量给料单元用于向燃料电池单元(6)的至少一个阳极(12)定量配给燃料(10)，并且，启动阀门(9)用于在开始阶段向燃料电池单元(6)的至少一个阴极(19)定量配给燃料(10)，并建议可以经济地制造以及运行该燃料电池装置。这根据本发明如此实现，即设有包括确定净截面面积的至少一个节流元件(18)，其用于确定在开始阶段的最大可定量给料的燃料量，其中所述节流元件(18)在所述燃料(10)的流动方向上设置在所述启动阀门(9)之前或之后。

Description

带定量给料单元的燃料电池装置

技术领域

本发明涉及一种带有燃料电池单元的燃料电池装置，其中，设有包括至少一个定量给料阀门的定量给料单元，以用于定量配给燃料，尤其是氢气。

背景技术

目前在静态及动态应用的燃料电池系统通常这样运行，即利用燃料、尤其是氢气供给阳极侧，并且利用氧气、尤其是空气来供给阴极侧。这里，引入和排出气流通过燃料电池堆泵送或吹送、排出。

部分地将来转换的氢气中较多的部分吹送到堆的阳极侧上。部分地循环或周期性地泵送富含氢气的阳极废气，以改善系统的整体效率。

进一步地，通常在进入燃料电池堆之前至少增湿阴极气体，以使堆的质子交换膜不会干燥。相应的膜或MEA(膜电极复合体)必需具有一定的最低湿度，以可以传递质子。

对于燃料电池系统的动力燃料供给或燃料供给，必需将运行燃料流或氢气和空气中的氧气按需求供给到燃料电池堆中。这种系统可以构造成不同的形式。例如设有具有一个或多个定量给料阀门的定量给料系统，以确保对于待定量给料的量来说尽可能大的定量给料范围和相对较小的容限。

此外，供气系统是已知的，其中，一方面，其向燃料电池堆供给所要求的燃料量或氢气量，另一方面，其在开始阶段向堆的阳极和阴极都供给氢气或燃料。最后，出于冷的燃料电池堆需尽可能快的加热到所需要或优选的运行温度这样的原因而实现，其中，在燃料电池堆中存在的空气中的氧气在放热情况下与燃料或氢气起反应，并因此释放出热能。

燃料电池堆的阴极在开始阶段需要特别少的氢气量，使得启动阀门必需制成相应小的尺寸，需要应用特别开发的启动阀门。然而，这造成相对高的成本。

发明内容

与之相比，本发明目的是提供一种具有燃料电池单元的燃料电池装置，其中，设有包括至少一个定量给料阀门的定量给料单元和启动阀门，其中定量给料单元用于在开始阶段向燃料电池单元的至少一个阳极定量配给燃料，并且，启动阀门用于在开始阶段向燃料电池单元的至少一个阴极定量配给燃料，该燃料电池装置可以经济地制造及运行。

该目的以上述类型的燃料电池装置为前提，提出一种带有燃料电池单元的燃料电池装置，其中，设有包括至少一个定量给料阀门的定量给料单元和启动阀门，其中，所述定量给料单元用于向燃料电池单元的至少一个阳极定量配给燃料，并且，所述启动阀门用于在开始阶段向所述燃料电池单元的至少一个阴极定量配给燃料，根据本发明，设有包括确定净截面面积的至少一个节流元件，以用于在开始阶段确定最大可定量给料的燃料量，其中其中所述节流元件在所述燃料的流动方向上设置在所述启动阀门之前或之后。

相应地，根据本发明的燃料电池装置的特征在于，设有包括确定净截面面积的至少一个节流元件，其用于在开始阶段确定最大可定量给料的燃料量，尤其对于阴极。利用根据本发明的这种有利的节流元件，可以限制主要对于阴极来说相对较小的在开始阶段需要的燃料量。据此，可放弃开发高成本或昂贵的特别启动阀门。相应地，降低用于制造根据本发明的燃料电池装置的成本。

另外，根据本发明使得例如效率区别最大的燃料电池装置可以包括同一型号或相同结构的启动阀门。对于不同的高效燃料电池单元来说，在开始阶段的最大待定量给料的燃料量有利地通过具有确定净截面面积节流元件预给出。可简单地制造具有不同净截面面积的节流元件、孔穴或同类物。因此，根据本发明还实现了减少开发以及制造效率差别最大的燃料电池系统的费用。

例如，节流元件在燃料的流动方向上设置在启动阀门之前。优选地，节流元件在燃料的流动方向上设置在启动阀门之后。已经证明，这样可在开始阶段尤其有利地对燃料量实行定量配给。

在本发明的有利改型中，启动阀门构造成基本上与定量给料阀门的结构相同。借助于这种措施，使得可以例如在根据本发明的燃料电池装置中应用相同的定量给料阀门和启动阀门，由此降低用于储存零件以及安装根据本发明的燃料电池装置的费用。

另外，可以使用基本上相同的、用于控制所应用的阀门和定量给料原料量的控制策略和控制单元。据此，与现有技术相比实现进一步简化和减少成本。

在本发明的特别改进中，定量给料单元包括多个定量给料阀门，它们尤其是并联的且/或构造成基本上相同的结构。因此，一方面，在整个定量给料范围上可以以相对较小的误差实现相对较大的待定量给料的燃料量。另一方面，通过应用相同结构的阀门再次简化了仓库存放和安装，并再次简化了控制，这是经济方面的优点。

有利地，应用市场上常见的阀门作为启动阀门和/或定量给料阀门，进一步减少成本。

有利地，设有用于利用冲洗流体——尤其是利用空气来冲洗燃料电池单元的至少一个冲洗单元。利用这种冲洗单元可以(例如)排出在系统中积累的明显的氢气量或同类物。例如在关闭系统之后利用空气或者同类物清洗燃料电池单元。

在本发明的有利的改型中，定量给料单元具有用于至少在燃料电池单元的阳极中变换燃料的流动方向的至少一个换向装置。借助于该方法，可以有利地均衡和消除燃料电池单元的膜的湿度/干燥度的局部不均匀问题。据此，可改善燃料电池单元的效率，并且大大减少对燃料电池单元和膜的要求，这可能表现为较长的预期使用寿命。

燃料电池单元的周期性注入和排空可类似于生物的呼吸那样实现。在本发明的特别改进中，在燃料电池单元的阳极中燃料的流动方向的变换由此实现，即交替地从阳极的一侧流过并紧接着从另一侧流过。这表示，燃料电池单元和阳极的入口和出口不断改变。

有利地，结构单元至少包括定量给料单元和/或启动阀门和/或冲洗单元和/或用于检测燃料压力的压力测量装置。借助于这样的措施，可以实现尤其紧凑的装置，其基本上包括供气装置和利用燃料和/或氧气(或空气)的燃料电池单元的供给装置。这种紧凑的供气装置应用在如客车的车辆中是尤其有利的。

附图说明

附图描述了本发明的实施示例，下面参考附图详细阐明该实施示例。

其中：

图1是根据本发明的燃料电池装置的示意性方块图，而

图2根据本发明的供气系统的示意性透视图。

具体实施方式

在图1中所示的根据本发明的燃料电池单元的方块图包括燃料电池单元6，其通过供气系统8或者所示实施示例中的所谓的AIU(阳极入口单元)8，将燃料或氢气10供给阳极12并将空气14供给阴极19。

与AIU8并列设置或在其之前设置的是空气供给单元20或所谓的CIU(阴极入口单元)20。其与通常的空气供给单元一样包括增压器和/或除尘器和/或增湿器等等。

该系统还具有阳极出口单元(AOU：阳极出口单元)21，阳极废气通过该单元排出。该系统还设有阴极出口单元(COU：阴极出口单元)22，阴极废气通过该单元排出。

AIU8具有多个定量给料阀门7，其中，根据改型每条支线都分别设有三个并联的阀门。据此，可以以相对较高的定量给料精确度来实现较大的定量给料范围。

设置了分别带有三个并联的定量给料阀门7的两个并联的支线，其主要原因在于，要使氢气10可以在两个相反的流动方向上流过燃料电池单元10和阳极12。此外，分别交替运行或开启/闭合这两条支线，用于定量配给相应的氢气量。

另外，每条支线都设有冲洗阀门13，由此有利的是，可通过空气14同样在相反方向上清洗阳极12。这优选地在关闭燃料电池单元6之后实行。

在所示改型中，仅仅在一个方向上利用空气14清洗阴极19。

进一步地，阴极19在开始阶段同样在氢气10的方向上被流过。通过串联的启动阀门9以及节流阀18实行用于阴极19的氢气的定量给料。

有利地，节流阀18具有固定设置的且不可改变的净截面，其限制了最大待定量给料的量。根据本发明，启动阀门9可以涉及如定量给料阀门7那样的补偿阀门。据此，既大大简化了仓库存放又大大简化了现有阀门的控制。使用已经在市场上常见的阀门则更有利。

在AIU8中还设有压力传感器11，其用于监视设置成尽可能恒定的燃料压力。据此，主要在开始阶段进一步改善用于阴极19的燃料或氢气10的定量给料。

在图2中，供气8或AIU8以示意性透视图的方式构造成紧凑的结构单元。供气系统8包括上部1、下部2以及两个侧部3、4。上部1具有用于来自未详细显示的压力罐的燃料或氢气供应的接口5。输入压力可在例如大约3bar至9bar之间。氢气10引至未详细显示的AIU8的储存室中，并从那里分到定量给料阀门7上。

进一步地，通过从储存室出来的未详细显示的管线，实现启动阀门9的供给，并实现用于压力传感器11的接口的、未详细显示的支道的供给。

在所示示例中，定量给料阀门7设置成各具有三个阀门的两排(与图1比较)。

在所实施的改型中，将氢气10以这样的方式供给燃料电池单元6或者说燃料电池堆6，使得各排阀门7交替地一次从入口一次从出口流到燃料电池堆里。燃料电池单元6的膜利用这种处理方法而深入地均匀增湿。

另外，上部1具有未详细显示的供给管线，该供给管线将冲洗空气14供给两个冲洗阀门13。下部2具有两个未详细显示的通道和出口15，这两个未详细显示的通道具有用于冲洗阀门和定量给料阀门的容纳部，而出口15分别通向燃料电池堆6的入口和出口。

侧部3实施成连接部。通过空气管线16，一方面可以通过连接块17将用于供给冲洗阀门13的冲洗空气14引入上部1，另一方面在开始阶段确保从启动阀门9通过所安装的节流阀18的连接。第二侧部4用作连接元件并具有带必要电缆连接的未详细显示的插头。

Claims (9)

1.一种带有燃料电池单元(6)的燃料电池装置，其中，设有包括至少一个定量给料阀门(7)的定量给料单元(8)和启动阀门(9)，其中，所述定量给料单元(8)用于向燃料电池单元(6)的至少一个阳极(12)定量配给燃料(10)，并且，所述启动阀门(9)用于在开始阶段向所述燃料电池单元(6)的至少一个阴极(19)定量配给燃料(10)，其特征在于，设有包括确定净截面面积的至少一个节流元件(18)，以用于在开始阶段确定最大可定量给料的燃料量，其中所述节流元件(18)在所述燃料(10)的流动方向上设置在所述启动阀门(9)之前或之后。

2.根据权利要求1所述的燃料电池装置，其特征在于，所述启动阀门(9)构造成与所述定量给料阀门(7)的结构相同。

3.根据权利要求1所述的燃料电池装置，其特征在于，所述定量给料单元(8)包括多个所述定量给料阀门(7)。

4.根据权利要求3所述的燃料电池装置，其特征在于，所述定量给料阀门(7)构造成相同的结构。

5.根据上述权利要求1-4中任一项所述的燃料电池装置，其特征在于，设有利用冲洗流体(14)冲洗所述燃料电池单元(6)的至少一个冲洗单元(13)。

6.根据上述权利要求1-4中任一项所述的燃料电池装置，其特征在于，所述定量给料单元(8)具有用于在所述燃料电池单元(6)的所述阳极(12)中变换所述燃料(10)的流动方向的至少一个换向装置。

7.根据上述权利要求1-4中任一项所述的燃料电池装置，其特征在于，至少所述定量给料单元(8)和所述启动阀门(9)包括在结构单元中。

8.根据上述权利要求1-4中任一项所述的燃料电池装置，其特征在于，所述结构单元至少具有所述冲洗单元(13)和用于检测燃料压力的压力测量装置(11)。

9.根据上述权利要求1-4中任一项所述的燃料电池装置，其特征在于，所述结构单元至少具有所述定量给料单元(8)、所述启动阀门(9)、所述冲洗单元(13)和所述压力测量装置(11)。

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