專利名稱：帶定量給料單元的燃料電池裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種根據(jù)權利要求1前序部分的、帶有燃料電池單元 的燃料電池裝置，其中，設有包括至少一個定量給料閥門的定量給料 單元，以用于定量配給燃料，尤其是氫氣。
10 現(xiàn)有技術
目前在靜態(tài)及動態(tài)應用的燃料電池系統(tǒng)通常這樣運行，即利用燃 料、尤其是氫氣供給陽極側，并且利用氧氣、尤其是空氣來供給陰極 側。這里，引入和排出氣流通過燃料電池堆泵送或吹送、排出。
部分地將未轉換的氫氣中較多的部分吹送到堆的陽極側上。部分 15 地循環(huán)或周期性地泵送富含氫氣的陽極廢氣，以改善系統(tǒng)的整體效 率。
進一步地，通常在進入燃料電池堆之前至少增濕陰極氣體，以使 堆的質子交換膜不會干燥。相應的膜或MEA(膜電極復合體)必需具有 一定的最低濕度，以可以傳遞質子。 20 對于燃料電池系統(tǒng)的動力燃料供給或燃料供給，必需將運行燃料
流或氬氣和空氣中的氧氣按需求供給到燃料電池堆中。這種系統(tǒng)可以 構造成不同的形式。例如設有具有一個或多個定量給料閥門的定量給 料系統(tǒng)，以確保對于待定量給料的量來說盡可能大的定量給料范圍和 相對較小的容限。
25 此外，供氣系統(tǒng)是已知的，其中， 一方面，其向燃料電池堆供給
所要求的燃料量或氫氣量，另一方面，其在開始階段向堆的陽極和陰 極都供給氬氣或燃料。最后，出于冷的燃料電池堆需盡可能快的加熱 到所需要或優(yōu)選的運行溫度這樣的原因而實現(xiàn)，其中，在燃料電池堆中存在的空氣中的氧氣在放熱情況下與燃料或氫氣起反應，并因此釋 放出熱能。
燃料電池堆的陰極在開始階段需要特別少的氫氣量，使得啟動閥 門必需制成相應小的尺寸，需要應用特別開發(fā)的啟動閥門。然而，這 5 造成相對高的成本。
發(fā)明目的和優(yōu)點
與之相比，本發(fā)明目的是^是供一種具有燃料電池單元的燃料電池 裝置，其中，設有包括至少一個定量給料岡門的定量給料單元和啟動 10 閥門，其中定量給料單元用于在開始階段向燃料電池單元的至少一個 陽極定量配給燃料，并且，啟動閥門用于在開始階段向燃料電池單元 的至少 一個陰極定量配給燃料，該燃料電池裝置可以經濟地制造及運 行。
該目的以上述類型的燃料電池裝置為前提，通過權利要求1所規(guī) 15 定的特征而實現(xiàn)。而通過在從屬權利要求中所述的方法可有利地實施 和改進本發(fā)明。
相應地，根據(jù)本發(fā)明的燃一+電池裝置的特征在于，設有包括確定 凈截面面積的至少一個節(jié)流元j牛，其用于在開始階段確定最大可定量 給料的燃料量，尤其對于陰極。利用根據(jù)本發(fā)明的這種有利的節(jié)流元 20 件，可以限制主要對于陰極來說相對較小的在開始階段需要的燃料 量。據(jù)此，可》丈棄開發(fā)高成本或昂貴的特別啟動閥門。相應地，降低 用于制造根據(jù)本發(fā)明的燃料電池裝置的成本。
另外，根據(jù)本發(fā)明使得例如效率區(qū)別最大的燃料電池裝置可以包
括同 一型號或相同結構的啟動閥門。對于不同的高效燃料電池單元來 25 說，在開始階段的最大待定量給料的燃料量有利地通過具有確定凈截 面面積節(jié)流元件預給出?？珊唵蔚刂圃炀哂胁煌瑑艚孛婷娣e的節(jié)流元 件、孔穴或同類物。因此，根據(jù)本發(fā)明還實現(xiàn)了減少開發(fā)以及制造效 率差別最大的燃料電池系統(tǒng)的費用。例如，節(jié)流元件在燃料的流動方向上設置在啟動閥門之前。優(yōu)選 地，節(jié)流元件在燃料的流動方向上設置在啟動閥門之后。已經證明， 這樣可在開始階段尤其有利地對燃料量實行定量配給。
在本發(fā)明的有利改型中，啟動閥門構造成基本上與定量給料閥門 5 的結構相同。借助于這種措施，使得可以例如在根據(jù)本發(fā)明的燃料電 池裝置中應用相同的定量給料閥門和啟動閥門，由此降低用于儲存零 件以及安裝根據(jù)本發(fā)明的燃料電池裝置的費用。
另外，可以使用基本上相同的、用于控制所應用的閥門和定量給 料原料量的控制策略和控制單元。據(jù)此，與現(xiàn)有技術相比實現(xiàn)進一步 10 簡化和減少成本。
在本發(fā)明的特別改進中，定量給料單元包括多個定量給料閥門， 它們尤其是并聯(lián)的且/或構造成基本上相同的結構。因此， 一方面，在 整個定量給料范圍上可以以相對較小的誤差實現(xiàn)相對較大的待定量 給料的燃料量。另一方面，通過應用相同結構的閥門再次簡化了倉庫 15 存放和安裝，并再次簡化了控制，這是經濟方面的優(yōu)點。
有利地，應用市場上常見的閥門作為啟動閥門和/或定量給料閥 門，進一步減少成本。
有利地，設有用于利用沖洗流體——尤其是利用空氣來沖洗燃料 電池單元的至少 一個沖洗單元。利用這種沖洗單元可以(例如)排出在 20 系統(tǒng)中積累的明顯的氫氣量或同類物。例如在關閉系統(tǒng)之后利用空氣 或者同類物清洗燃料電池單元。
在本發(fā)明的有利的改型中，定量給料單元具有用于至少在燃料電 池單元的陽極中變換燃料的流動方向的至少一個換向裝置。借助于該 方法，可以有利地均衡和消除燃料電池單元的膜的濕度/干燥度的局部 25 不均勻問題。據(jù)此，可改善燃料電池單元的效率，并且大大減少對燃 料電池單元和膜的要求，這可能表現(xiàn)為較長的預期使用壽命。
燃料電池單元的周期性注入和排空可類似于生物的呼吸那樣實 現(xiàn)。在本發(fā)明的特別改進中，在燃料電池單元的陽極中燃料的流動方向的變換由此實現(xiàn)，即交替地從陽極的一側流過并緊接著從另一側流 過。這表示，燃料電池單元和陽極的入口和出口不斷改變。
有利地，結構單元至少包括定量給料單元和/或啟動閥門和/或沖 洗單元和/或用于檢測燃料壓力的壓力測量裝置。借助于這樣的措施， 5 可以實現(xiàn)尤其緊湊的裝置，其基本上包括供氣裝置和利用燃料和/或氧 氣(或空氣)的燃料電池單元的供給裝置。這種緊湊的供氣裝置應用在 如客車的車輛中是尤其有利的。
具體實施例方式
10 附圖描述了本發(fā)明的實施示例，下面參考附圖詳細闡明該實施示例。
其中


圖1是根據(jù)本發(fā)明的燃料電池裝置的示意性方塊圖，而
圖2根據(jù)本發(fā)明的供氣系統(tǒng)的示意性透視圖。 15 在圖1中所示的根據(jù)本發(fā)明的燃料電池單元的方塊圖包括燃料電
池單元6，其通過供氣系統(tǒng)8或者所示實施示例中的所謂的AIU(陽極 入口單元)8，將燃料或氬氣10供給陽極12并將空氣14供給陰極19。
與AIU8并列設置或在其之前設置的是空氣供給單元20或所謂的 CIU(陰極入口單元)20。其與通常的空氣供給單元一樣包括增壓器和/ 20 或除塵器和/或增濕器等等。
該系統(tǒng)還具有陽極出口單元(AOU:陽極出口單元)21,陽極廢氣 通過該單元排出。該系統(tǒng)還i殳有陰極出口單元(COU:陰極出口單 元)22,陰極廢氣通過該單元排出。
AIU8具有多個定量給料閥門7，其中，根據(jù)改型每條支線都分別 25設有三個并聯(lián)的閥門。據(jù)此，可以以相對較高的定量給料精確度來實 現(xiàn)較大的定量給料范圍。
設置了分別帶有三個并聯(lián)的定量給料閥門7的兩個并聯(lián)的支線， 其主要原因在于，要使氫氣10可以在兩個相反的流動方向上流過燃
7料電池單元10和陽極12。此外，分別交替運行或開啟/閉合這兩條支 線，用于定量配給相應的氫氣量。
另外，每條支線都設有沖洗閥門13，由此有利的是，可通過空氣 14同樣在相反方向上清洗陽極12。這優(yōu)選地在關閉燃料電池單元6 5 之后實行。
在所示改型中，僅僅在一個方向上利用空氣14清洗陰極19。 進一步地，陰極19在開始階段同樣在氬氣10的方向上被流過。
通過串聯(lián)的啟動閥門9以及節(jié)流閥18實行用于陰極19的氬氣的定量給料。
10 有利地，節(jié)流閥18具有固定設置的且不可改變的凈截面，其限
制了最大待定量給料的量。根據(jù)本發(fā)明，啟動閥門9可以涉及如定量 給料閥門7那樣的補償閥門。據(jù)此，既大大簡化了倉庫存放又大大簡 化了現(xiàn)有閥門的控制。使用已經在市場上常見的閥門則更有利。
在AIU8中還設有壓力傳感器11，其用于監(jiān)視設置成盡可能恒定
15的燃料壓力。據(jù)此，主要在開始階段進一步改善用于陰極19的燃料 或氫氣10的定量給料。
在圖2中，供氣8或AIU8以示意性透視圖的方式構造成緊湊的 結構單元。供氣系統(tǒng)8包括上部1、下部2以及兩個側部3、 4。上部 1具有用于來自未詳細顯示的壓力罐的燃料或氫氣供應的接口 5。輸
20入壓力可在例如大約3bar至9bar之間。氫氣10引至未詳細顯示的 AIU8的儲存室中，并從那里分到定量給料閥門7上。
進一步地，通過從儲存室出來的未詳細顯示的管線，實現(xiàn)啟動閥 門9的供給，并實現(xiàn)用于壓力傳感器11的接口的、未詳細顯示的支 道的供給。
25 在所示示例中，定量給料閥門7設置成各具有三個閥門的兩排(與
圖1比較)。 .
在所實施的改型中，將氫氣10以這樣的方式供給燃料電池單元6 或者說燃料電池堆6,使得各排閥門7交替地一次從入口一次從出口流到燃料電池堆里。燃料電池單元6的膜利用這種處理方法而深入地 均勻增濕。
另外，上部1具有未詳細顯示的供給管線，該供給管線將沖洗空
氣14供給兩個沖洗閥門13。下部2具有兩個未詳細顯示的通道和出 5口 15,這兩個未詳細顯示的通道具有用于沖洗閥門和定量給料閥門的 容納部，而出口 15分別通向燃珅牛電池堆6的入口和出口 。
側部3實施成連^:部。通過空氣管線16, —方面可以通過連接塊 17將用于供給沖洗閥門13的沖洗空氣14引入上部1，另一方面在開 始階段確保從啟動閥門9通過所安裝的節(jié)流閥18的連接。第二側部4 10 用作連接元件并具有帶必要電纜連接的未詳細顯示的插頭。
權利要求
1.一種帶有燃料電池單元(6)的燃料電池裝置，其中，設有包括至少一個定量給料閥門(7)的定量給料單元(8)和啟動閥門(9)，其中，所述定量給料單元(8)用于向燃料電池單元(6)的至少一個陽極(12)定量配給燃料(10)，并且，所述啟動閥門(9)用于在開始階段向所述燃料電池單元(6)的至少一個陰極(19)定量配給燃料(10)，其特征在于，設有包括確定凈截面面積的至少一個節(jié)流元件(18)，以用于在開始階段確定最大可定量給料的燃料量。
2.根據(jù)權利要求1所述的燃料電池裝置，其特征在于，所述節(jié)流元件(18)在所述燃料(10)的流動方向上設置在所述啟動閥門(9)之 后。
3. 根據(jù)上述權利要求中任一項所述的燃料電池裝置，其特征在 于，所述啟動閥門(9)構造成基本上與所述定量給料閥門(7)的結構相15 同。
4. 根據(jù)上述權利要求中任一項所述的燃料電池裝置，其特征在 于，所述定量給料單元(8)包括多個所述定量給料閥門(7)。
5. 根據(jù)上述權利要求中任一項所述的燃料電池裝置，其特征在 于，所述定量給料閥門(7)構造成基本上相同的結構。20
6.根據(jù)上述權利要求中任一項所述的燃料電池裝置，其特征在于，設有利用沖洗流體(14)沖洗所述燃料電池單元(6)的至少 一個沖洗 單元(13)。
7. 根據(jù)上述權利要求中任一項所述的燃料電池裝置，其特征在 于，所述定量給料單元(8)具有用于在所述燃料電池單元(6)的所述陽極25 (12)中變換所述燃料(10)的流動方向的至少一個換向裝置(7)。
8. 根據(jù)上述權利要求中任一項所述的燃料電池裝置，其特征在 于，結構單元(8)至少包括所述定量給料單元(8)和所述啟動閥門(9)。
9. 根據(jù)上述權利要求中任一項所述的燃料電池裝置，其特征在于，所述結構單元(8)至少具有所述沖洗單元(13)和用于檢測燃料壓力 的壓力測量裝置(ll)。
10.根據(jù)上述權利要求中^f壬一項所述的燃料電池裝置，其特征在 于，所述結構單元(8)至少具有所述定量給料單元(8)、所述啟動閥門 5(9)、所述沖洗單元(13)和所述壓力測量裝置(11)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種具有燃料電池單元(6)的燃料電池裝置，其中，設有包括至少一個定量給料閥門(7)的定量給料單元(8)和啟動閥門(9)，其中，定量給料單元用于向燃料電池單元(6)的至少一個陽極(12)定量配給燃料(10)，并且，啟動閥門(9)用于在開始階段向燃料電池單元(6)的至少一個陰極(19)定量配給燃料(10)，并建議可以經濟地制造以及運行該燃料電池裝置。這根據(jù)本發(fā)明如此實現(xiàn)，即設有包括確定凈截面面積的至少一個節(jié)流元件(18)，其用于確定在開始階段的最大可定量給料的燃料量。
文檔編號H01M8/04GK101322270SQ200680043550
公開日2008年12月10日 申請日期2006年11月17日 優(yōu)先權日2005年11月23日
發(fā)明者F·布倫納, G·班特利昂, J·-U·斯帕舒, T·-H·阮沙弗, T·赫布納 申請人:羅伯特·博世有限公司;通用汽車環(huán)球科技運作公司