專利名稱：具有再循環(huán)工作燃料的燃料電池設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種按權(quán)利要求1前序部分所述具有包括陽(yáng)極的燃料電池單元的燃料電池設(shè)備。
背景技術(shù)：
近幾年來(lái)，人們對(duì)氫作為未來(lái)能源載體的興趣明顯增長(zhǎng)。特別是采用氫工作的燃料電池可以對(duì)環(huán)境有利地產(chǎn)生電能和熱能。燃料電池的效率并未受到卡諾循環(huán)的限制。利用相應(yīng)高的效率例如可以保護(hù)化石資源和燃料電池在汽車或者熱電聯(lián)合設(shè)備上的應(yīng)用方面減少對(duì)化石資源的依賴。
特別是對(duì)于汽車應(yīng)用來(lái)說(shuō)，目前也使用所謂的PEM燃料電池(聚合物電解質(zhì)膜片燃料電池)，其中使用作為燃料目前盡可能純凈的氫所需的質(zhì)子傳導(dǎo)的聚合物膜片。在汽車應(yīng)用或其它單機(jī)系統(tǒng)(Inselsystem)的情況下，氫或含氫的燃料最好儲(chǔ)存在壓力容器內(nèi)。目前相應(yīng)的壓力容器設(shè)計(jì)的存儲(chǔ)壓力約200-300bar，部分最高為700bar。
除了將氫儲(chǔ)存在壓力容器內(nèi)外，在汽車應(yīng)用方面已經(jīng)“車載”使用例如像汽油或者柴油的碳?xì)浠衔镏卣蛘哳愃品椒?。在此，特別是為改進(jìn)與負(fù)荷變化的匹配、冷啟動(dòng)性能，在重整過(guò)程和諸如此類的工作故障情況下為氫等使用施加壓力的儲(chǔ)能器。
除了將燃料電池用在汽車上以借助于相應(yīng)的電動(dòng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)能量外，燃料電池在汽車應(yīng)用方面還作為所謂的APUs(輔助動(dòng)力單元)使用。
目前在燃料電池應(yīng)用方面，燃料或氫通常以典型地高達(dá)1.3的系數(shù)(λ可達(dá)1.3)化學(xué)計(jì)量的余量輸送到陽(yáng)極，以便更好地利用燃料電池的潛能。未轉(zhuǎn)換或多余的氫再?gòu)年?yáng)極的出口排出并例如可以返回或再循環(huán)到陽(yáng)極的輸入端。
這一點(diǎn)通常通過(guò)壓縮機(jī)利用電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置實(shí)現(xiàn)。在此電動(dòng)機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是可以通過(guò)簡(jiǎn)單斷開(kāi)和接通非常靈活地匹配負(fù)荷變化。由于爆炸的危險(xiǎn)，在這里必須特別注意壓縮機(jī)相對(duì)于電動(dòng)機(jī)的密封問(wèn)題。體積比約4％的氫與正?？諝獾幕旌暇涂梢渣c(diǎn)燃。
此外的缺點(diǎn)是，壓縮機(jī)的電能消耗在80kW的汽車驅(qū)動(dòng)功率的情況下就處于約2kW的數(shù)量級(jí)上。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的任務(wù)在于提供一種燃料電池設(shè)備，具有包括陽(yáng)極的燃料電池單元，其中設(shè)有再循環(huán)單元，用于將來(lái)自陽(yáng)極的含氫的工作燃料返回到燃料電池單元內(nèi)，再循環(huán)單元包括至少一個(gè)用于驅(qū)動(dòng)工作燃料流動(dòng)的驅(qū)動(dòng)單元，該設(shè)備具有更高的工作可靠性。
該任務(wù)從開(kāi)頭所述類型的燃料電池設(shè)備出發(fā)，通過(guò)權(quán)利要求1的特征性特征得以實(shí)現(xiàn)。從屬權(quán)利要求所述的措施可以是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方案和改進(jìn)方案。
本發(fā)明燃料電池設(shè)備與此相應(yīng)的突出優(yōu)勢(shì)在于，驅(qū)動(dòng)單元是利用流體能量的氣動(dòng)或者液壓的驅(qū)動(dòng)單元。利用本發(fā)明的驅(qū)動(dòng)單元，由于再循環(huán)單元或壓縮機(jī)或者諸如此類的裝置的可能的泄漏引發(fā)的爆炸危險(xiǎn)完全得到消除。與此相應(yīng)，再循環(huán)單元可以滿足密封方面明顯更低的要求，這一點(diǎn)例如在成本經(jīng)濟(jì)的制造中可以反映出來(lái)。
按照本發(fā)明的氣動(dòng)或者液壓驅(qū)動(dòng)單元為避免特別是由于氫泄漏可能引發(fā)的爆炸摒棄以往的發(fā)展方向，即嘗試將再循環(huán)單元或相應(yīng)的壓縮機(jī)或者類似物相對(duì)于驅(qū)動(dòng)單元盡可能良好地密封或通過(guò)部分非常復(fù)雜的結(jié)構(gòu)措施等方式減少泄漏危險(xiǎn)。然而這一點(diǎn)在依據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)軸的情況下非常復(fù)雜并易于出現(xiàn)故障。
此外，依據(jù)本發(fā)明可以實(shí)現(xiàn)明顯降低所謂寄生負(fù)荷或再循環(huán)單元的固有電耗與現(xiàn)有技術(shù)相比減少例如2kW。本發(fā)明燃料電池系統(tǒng)的總效率由此得到明顯提高，這樣還可以實(shí)現(xiàn)一種經(jīng)濟(jì)上有益的運(yùn)行方式。
依據(jù)本發(fā)明的氣動(dòng)或者液壓驅(qū)動(dòng)單元例如可以利用流體的流動(dòng)能量。為此例如可以使用齒輪電動(dòng)機(jī)/齒輪機(jī)械裝置或者類似物。齒輪電動(dòng)機(jī)例如可以成本經(jīng)濟(jì)地將流動(dòng)流體的能量用于實(shí)現(xiàn)本發(fā)明。
驅(qū)動(dòng)單元最好是利用膨脹流體膨脹能量的膨脹機(jī)。在依據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的燃料電池設(shè)備上，已經(jīng)以不同的方式將加壓的流體用于各種各樣的目的或用途。依據(jù)本發(fā)明的這種變型方案，可將相應(yīng)流體的壓力能量以有利的方式用于按照本發(fā)明的驅(qū)動(dòng)單元。這一點(diǎn)例如意味著，依據(jù)本發(fā)明可以實(shí)現(xiàn)至少部分回收為壓縮流體施加的壓縮功。
在本發(fā)明一種特別的改進(jìn)方案中，氣動(dòng)或者液壓的驅(qū)動(dòng)單元是多級(jí)驅(qū)動(dòng)單元，其中，例如每級(jí)壓力從較高的水平向稍低的水平過(guò)渡，該水平再向更低的下一級(jí)壓力水平過(guò)渡等等。由此，一方面非常有效的利用壓力能量，而另一方面例如利用一個(gè)或者多個(gè)加熱單元實(shí)現(xiàn)膨脹時(shí)冷卻的流體的中間加熱。
加熱單元最好是換熱器。在此，換熱器可以例如將燃料電池單元、內(nèi)燃機(jī)和/或者其它的例如像轉(zhuǎn)化器或者類似物的產(chǎn)生熱的部件的廢熱用于加熱流體。
有利地是，再循環(huán)單元包括至少一個(gè)用于壓縮工作燃料和/或者流體的壓縮機(jī)。由此可以以有利的方式例如平衡陽(yáng)極輸出端和陽(yáng)極輸入端之間的壓差。例如，將本發(fā)明的壓縮機(jī)設(shè)計(jì)成螺旋式、螺式和/或者葉片壓縮機(jī)和/或者渦輪機(jī)或者類似物。最好采用商業(yè)上常見(jiàn)的部件或壓縮機(jī)，由此實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的一種特別是經(jīng)濟(jì)上有益的實(shí)施方式。
在本發(fā)明的一種優(yōu)選實(shí)施變型方案中，設(shè)置用于將壓縮機(jī)與氣動(dòng)或者液壓驅(qū)動(dòng)單元耦合的機(jī)械耦合裝置。通過(guò)這種措施進(jìn)一步提高工作可靠性。耦合裝置最好包括至少一個(gè)軸。這樣可以特別簡(jiǎn)單地實(shí)現(xiàn)壓縮機(jī)和氣動(dòng)或者液壓驅(qū)動(dòng)裝置之間的耦合。例如，驅(qū)動(dòng)裝置和壓縮機(jī)設(shè)置在一個(gè)共用軸上。這樣降低了本發(fā)明的結(jié)構(gòu)開(kāi)支。
例如驅(qū)動(dòng)單元和壓縮機(jī)在單獨(dú)的外殼內(nèi)和/或者借助于隔板或者類似物彼此分離。氣動(dòng)或者液壓驅(qū)動(dòng)單元和壓縮機(jī)最好設(shè)置在一個(gè)共用外殼內(nèi)或具有一個(gè)共用外殼。由此例如在壓縮機(jī)泄漏的情況下流出的含氫工作燃料例如溢流到驅(qū)動(dòng)單元內(nèi)，從而含氫的工作燃料可以以有利的方式排出，從而氫不會(huì)到達(dá)危險(xiǎn)的爆炸極限范圍內(nèi)。這樣進(jìn)一步提高了本發(fā)明的可靠性。
此外，例如驅(qū)動(dòng)單元可以將含氫的工作燃料輸送到燃料電池單元內(nèi)，從而可以實(shí)現(xiàn)含氫泄漏工作燃料的再利用。
通常具有優(yōu)點(diǎn)的是，氣動(dòng)或者液壓驅(qū)動(dòng)單元是壓縮機(jī)。由此可以實(shí)現(xiàn)一種依據(jù)本發(fā)明特別簡(jiǎn)單的驅(qū)動(dòng)單元。
壓縮機(jī)的壓縮機(jī)元件最好是膨脹機(jī)的膨脹元件。由此實(shí)現(xiàn)了相應(yīng)元件的多重利用，從而明顯降低了本發(fā)明的結(jié)構(gòu)開(kāi)支。壓縮機(jī)元件和/或者膨脹元件最好是一個(gè)共用轉(zhuǎn)子的特別是可運(yùn)動(dòng)的葉片。由此進(jìn)一步降低了結(jié)構(gòu)開(kāi)支。例如，轉(zhuǎn)子在共用外殼的內(nèi)部旋轉(zhuǎn)并具有壓縮機(jī)元件或膨脹元件，這些元件一方面壓縮或膨脹工作燃料，另一方面也壓縮或膨脹流體。
在本發(fā)明一種特別有利的實(shí)施方式中，流體基本上為燃料電池單元的燃料。由此可以特別完美的方式將能量，特別是燃料的流動(dòng)能量和/或者壓力能量用于驅(qū)動(dòng)工作燃料的再循環(huán)。例如，來(lái)自陽(yáng)極的含氫工作燃料在燃料進(jìn)入燃料電池單元的情況下始終積累，從而再循環(huán)工作燃料的相應(yīng)驅(qū)動(dòng)無(wú)需很多的控制技術(shù)開(kāi)支便可實(shí)現(xiàn)。
最好設(shè)置用于旁通驅(qū)動(dòng)單元的旁路。該旁路例如可以用于實(shí)現(xiàn)輸送到燃料電池單元的氫量或燃料量與再循環(huán)工作燃料的驅(qū)動(dòng)無(wú)關(guān)。這一點(diǎn)特別是意味著，可以有利地實(shí)現(xiàn)輸送到陽(yáng)極的燃料量與再循環(huán)的工作燃料流量的分開(kāi)。例如，旁路具有調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，特別是可調(diào)節(jié)流閥，因此可以以有利的方式調(diào)節(jié)燃料量和/或者工作燃料量。如果例如不要求與輸送到燃料電池單元的燃料量獨(dú)立地進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，可以取消旁路。
在本發(fā)明一種有利的變型方案中，驅(qū)動(dòng)單元設(shè)置在燃料蓄壓器和/或者燃料調(diào)節(jié)器和燃料電池單元和/或者燃料計(jì)量單元之間的流動(dòng)行程中。由此以有利的方式可將加壓的燃料用于驅(qū)動(dòng)再循環(huán)回路。


附圖中示出本發(fā)明的一種實(shí)施例，下面借助附圖進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。其中圖1示出一種按照本發(fā)明實(shí)施方式的示意方框圖；以及圖2示出本發(fā)明再循環(huán)裝置的原理圖。
具體實(shí)施例方式
圖1示意地示出燃料電池系統(tǒng)的原理性結(jié)構(gòu)，其具有由初級(jí)燃料或氫10的高壓驅(qū)動(dòng)的壓縮機(jī)11。初級(jí)氫10通過(guò)減壓閥12利用孔流入壓縮機(jī)11內(nèi)。壓縮機(jī)11在氫10的流動(dòng)方向上設(shè)置在壓力調(diào)節(jié)器12的后面，后者將氫10從例如12bar減壓到例如9bar-10bar(絕對(duì))。在也可以稱為所謂HRB(氫再循環(huán)鼓風(fēng)機(jī))的壓縮機(jī)11的驅(qū)動(dòng)部分上將孔1上的原始?jí)毫档娇?上的例如約9-10bar(絕對(duì))的壓力。
部分減壓的氫10從壓縮機(jī)11流向氫計(jì)量單元13(HMD氫計(jì)量裝置)。
壓力調(diào)節(jié)器12和氫計(jì)量單元13之間設(shè)有包括可調(diào)節(jié)流閥15(例如閥門)的旁路14。因此可獨(dú)立于壓縮機(jī)11向燃料電池20或燃料電池組20輸送氫10。由此可輸送到燃料電池20的陽(yáng)極21的總氫量與來(lái)自陽(yáng)極21和/或者燃料電池20的再循環(huán)工作燃料無(wú)關(guān)。
燃料電池20此外包括陰極22。最好向陰極22供給空氣，其中，例如風(fēng)扇24和加濕器25對(duì)吸入的環(huán)境空氣23進(jìn)行相應(yīng)處理。
此外，可以選擇在陰極22的輸出端上設(shè)置向加濕器25輸送水的除濕器26。另外在陰極22的輸出端上可以設(shè)置調(diào)節(jié)閥27，從而特別是可以有利地調(diào)節(jié)燃料電池20的壓力。
根據(jù)本發(fā)明設(shè)置來(lái)自燃料電池20的工作燃料的再循環(huán)裝置。再循環(huán)裝置13最好包括閥門31或排氣閥31，用于排出陽(yáng)極21內(nèi)累積的殘余氣體。在正常工作時(shí)閥門31關(guān)閉。有利地是以確定的頻率打開(kāi)和重新關(guān)閉閥門，以便將陽(yáng)極21內(nèi)累積的殘余氣體，例如氮和水蒸汽排到環(huán)境中并由此避免陽(yáng)極氣體的污染并因此不會(huì)降低陽(yáng)極效率(Stackwirkungsgrad)。
將所要再循環(huán)的工作燃料輸送到壓縮機(jī)11的孔3，在壓縮機(jī)11內(nèi)壓縮并然后從孔4流出，從而工作燃料在部位16上可與氫10匯合并流向陽(yáng)極21。
圖2詳細(xì)示出壓縮機(jī)11的工作原理。從圖2可以看出，初級(jí)氫10的膨脹過(guò)程驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)11。壓縮機(jī)11從陽(yáng)極21的輸出端吸入工作燃料或多余的氫并將其壓縮到陽(yáng)極輸入壓力，陽(yáng)極輸入壓力比陽(yáng)極輸出壓力大約高出0.3-0.5bar。如已經(jīng)介紹的那樣，氫10相應(yīng)地重新輸送到陽(yáng)極21的輸入端(參閱圖1)。
初級(jí)氫10可以通過(guò)作為可調(diào)節(jié)流閥15示出的旁通閥15完全或者部分從驅(qū)動(dòng)側(cè)導(dǎo)過(guò)。閥門15關(guān)閉時(shí)總氫量從壓縮機(jī)11的驅(qū)動(dòng)部分流過(guò)。閥門15打開(kāi)時(shí)氫量直接流向計(jì)量單元13。在這種情況下壓縮機(jī)11停止工作。在可調(diào)節(jié)流閥15的中間位置上，壓縮機(jī)11的功率可與該系統(tǒng)對(duì)再循環(huán)的要求匹配。閥門15最好利用控制單元或控制儀進(jìn)行電控。
圖2所示的壓縮機(jī)11按照葉片式原理工作。在右室內(nèi)初級(jí)氫10輸送到輸入孔1內(nèi)。輸送的氫10減壓并按照膨脹原理驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子40。圖2中的左室示出固有的壓縮機(jī)。多余的氫或含氫廢氣流從陽(yáng)極21的出口吸入輸入孔3內(nèi)，并按照葉片式原理壓縮到陽(yáng)極輸入壓力，約高于陽(yáng)極輸出壓力0.3-0.5bar。受壓縮的氫通過(guò)輸出孔4接著重新輸送到陽(yáng)極21的入口側(cè)。在該實(shí)施例中，膨脹機(jī)和壓縮機(jī)通過(guò)環(huán)繞一個(gè)共用軸41旋轉(zhuǎn)的相同轉(zhuǎn)子40實(shí)現(xiàn)。
在依據(jù)圖2所示的實(shí)施例中，轉(zhuǎn)子40內(nèi)的滑閥42沿徑向運(yùn)動(dòng)，從而它與定子43或外殼43的內(nèi)壁表面配合?；y42例如可以利用未詳細(xì)示出的彈簧和/或者彈性體或者類似物的相應(yīng)徑向地向外壓和/或者利用離心力自動(dòng)在工作中向外壓并由此密封相應(yīng)的工作室。
在此，圖2所示的孔1和2或3和4之間的角度αH和αN必須大于兩個(gè)相鄰滑閥42之間的角度，從而兩個(gè)室內(nèi)的膨脹或壓縮過(guò)程盡可能無(wú)障礙地發(fā)揮作用。
由初級(jí)氫驅(qū)動(dòng)的再循環(huán)壓縮機(jī)的工作原理并不局限于葉片式原理上。也可以考慮其它的膨脹或流動(dòng)原理以及壓縮原理，例如滾子葉片式、活塞式、膜片式原理以及側(cè)通道泵、軸向泵、徑向泵和噴射泵原理。
權(quán)利要求
1.燃料電池設(shè)備，具有包括陽(yáng)極的燃料電池單元，其中，設(shè)有再循環(huán)單元(30)，用于將從燃料電池單元(20)流出的含氫工作燃料返回到燃料電池單元(20)內(nèi)，再循環(huán)單元(30)包括至少一個(gè)用于驅(qū)動(dòng)工作燃料流動(dòng)的驅(qū)動(dòng)單元(11)，其特征在于，該驅(qū)動(dòng)單元(11)是利用流體(10)能量的氣動(dòng)或者液壓的驅(qū)動(dòng)單元(11)。
2.按權(quán)利要求1所述的燃料電池設(shè)備，其特征在于，所述驅(qū)動(dòng)單元(11)是利用膨脹流體(10)的膨脹能量的膨脹機(jī)(11)。
3.按前述權(quán)利要求之一所述的燃料電池設(shè)備，其特征在于，所述再循環(huán)單元(30)包括至少一個(gè)用于壓縮工作燃料和/或者流體(10)的壓縮機(jī)(11)。
4.按前述權(quán)利要求之一所述的燃料電池設(shè)備，其特征在于，設(shè)置用于將壓縮機(jī)(11)與氣動(dòng)或者液壓的驅(qū)動(dòng)單元(11)耦合的機(jī)械連接裝置(40、41)。
5.按前述權(quán)利要求之一所述的燃料電池設(shè)備，其特征在于，所述耦合裝置(40、41)包括至少一個(gè)軸(41)。
6.按前述權(quán)利要求之一所述的燃料裝置，其特征在于，所述氣動(dòng)或者液壓的驅(qū)動(dòng)單元(11)和壓縮機(jī)(11)具有一個(gè)共用外殼(43)。
7.按前述權(quán)利要求之一所述的燃料電池設(shè)備，其特征在于，所述壓縮機(jī)(11)的壓縮機(jī)元件(42)是膨脹機(jī)(11)的膨脹元件(42)。
8.按前述權(quán)利要求之一所述的燃料電池設(shè)備，其特征在于，壓縮機(jī)元件(42)和/或者膨脹元件(42)是轉(zhuǎn)子(40)的葉片(42)。
9.按前述權(quán)利要求之一所述的燃料電池設(shè)備，其特征在于，流體(10)基本上為燃料電池單元(20)的燃料(10)。
10.按前述權(quán)利要求之一所述的燃料電池設(shè)備，其特征在于，設(shè)置至少一個(gè)用于旁通驅(qū)動(dòng)單元(11)的旁路(14)。
11.按前述權(quán)利要求之一所述的燃料電池設(shè)備，其特征在于，所述驅(qū)動(dòng)單元(11)設(shè)置在燃料蓄壓器和燃料電池單元(20)之間的流動(dòng)行程中。
全文摘要
本發(fā)明提出了一種燃料電池設(shè)備，具有包括陽(yáng)極(21)的燃料電池單元(20)，其中，設(shè)置再循環(huán)單元(30)，用于將從燃料電池單元(20)流出的含氫工作燃料返回到燃料電池單元(20)內(nèi)，再循環(huán)單元(30)包括至少一個(gè)用于驅(qū)動(dòng)工作燃料流動(dòng)的驅(qū)動(dòng)單元(11)，該燃料電池設(shè)備具有更高的工作可靠性。這一點(diǎn)依據(jù)本發(fā)明由此得以實(shí)現(xiàn)，即將驅(qū)動(dòng)單元(11)設(shè)計(jì)成利用流體(10)能量的氣動(dòng)或者液壓的驅(qū)動(dòng)單元(11)。
文檔編號(hào)H01M8/00GK1841829SQ200610079330
公開(kāi)日2006年10月4日 申請(qǐng)日期2006年2月27日 優(yōu)先權(quán)日2005年2月28日
發(fā)明者W·斯特羅爾, G·本特利昂, T·-H·阮-沙弗, K·雷曼, M·鮑爾勒, H·舒內(nèi)德, G·溫克勒, T·海德 申請(qǐng)人:羅伯特·博世有限公司