專(zhuān)利名稱(chēng)：具有催化加熱器的燃料電池的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種按權(quán)利要求1前序部分所述的燃料電池。
背景技術(shù)：
為了調(diào)節(jié)燃料電池的運(yùn)行溫度已知的是，燃料電池借助于冷卻循環(huán)進(jìn)行冷卻。為此DE 100 85 325 T1描述了一種填充直接防凍劑的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)。其中不僅對(duì)于移動(dòng)的而且對(duì)于固定的燃料發(fā)電系統(tǒng)提出了一種冷卻系統(tǒng)，該冷卻系統(tǒng)即使在非常低(北極)的環(huán)境溫度下也應(yīng)工作。為此冷卻液摻有直接防凍溶液。
但是因?yàn)槿剂想姵貙?duì)化學(xué)污染的工作水敏感地起反應(yīng)(中毒問(wèn)題)，在所提出的冷卻系統(tǒng)中設(shè)有焓交換閉鎖器，以便防止防凍溶液解吸到與冷卻循環(huán)導(dǎo)通液體地連接的燃料電池系統(tǒng)水循環(huán)中。但是為了滿(mǎn)足這種要求，需要非常高的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)耗費(fèi)。也始終存在因焓交換閉鎖器失靈而損害燃料電池的危險(xiǎn)。
另外設(shè)有一種催化的燃燒器，它還將燃料電池廢氣中的未燃燒的燃料燃燒掉并且將由此產(chǎn)生的廢熱傳輸?shù)饺剂想姵叵到y(tǒng)水循環(huán)中。這種催化的燃燒器加熱和蒸發(fā)相應(yīng)鍋爐中的系統(tǒng)水以調(diào)節(jié)燃料電池內(nèi)的濕度平衡。為了排出因系統(tǒng)水連續(xù)加熱而輸入的過(guò)量的熱量，設(shè)有一些具有換熱器、冷卻器、泵和相應(yīng)管路的輔助冷卻裝置。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是，改進(jìn)一種這樣的燃料電池系統(tǒng)。
這個(gè)目的從按權(quán)利要求1前序部分的燃料電池出發(fā)通過(guò)權(quán)利要求1的特征部分的特征解決。
通過(guò)在從屬權(quán)利要求中列舉的措施可以得到本發(fā)明的優(yōu)選的實(shí)施方式和改進(jìn)方案。
因此按本發(fā)明的燃料電池或按本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)的特征在于，催化燃燒器可以接通到冷卻劑循環(huán)和/或與冷卻劑循環(huán)切斷。其優(yōu)點(diǎn)在于，只有必要時(shí)才將由催化燃燒器通過(guò)燃燒尚存在于廢氣中的燃料產(chǎn)生的熱量用于加熱燃料電池。尤其在燃料電池的啟動(dòng)運(yùn)行時(shí)是這種情況，在這種情況下也在廢氣中出現(xiàn)最大份額的未燃燒的燃料。
因此按本發(fā)明可以對(duì)于燃料電池的運(yùn)行，由短時(shí)間過(guò)量輸入氫而引起的熱量也有利地用于降低在陽(yáng)極側(cè)出現(xiàn)的氮濃度。
上述步驟基于的認(rèn)識(shí)在于，通過(guò)有針對(duì)性的將由催化燃燒器產(chǎn)生的熱量接通和/或接入到冷卻劑循環(huán)中，可以將燃料電池迅速加熱到其運(yùn)行溫度，而冷卻循環(huán)并且從而燃料電池不會(huì)在燃料電池的整個(gè)工作時(shí)間上受到持續(xù)熱量輸入的負(fù)荷。
在此業(yè)已證實(shí)尤其有利的是，在接通和/或切斷催化燃燒器時(shí)的熱量接入可以根據(jù)本來(lái)就設(shè)置于冷卻循環(huán)中的冷卻劑泵進(jìn)行，因此可以節(jié)約對(duì)于其它泵的附加成本和空間。
為了控制催化燃燒器相對(duì)于冷卻劑循環(huán)的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，另外設(shè)有一個(gè)控制單元。該控制單元優(yōu)選是一個(gè)閥單元。尤其通過(guò)使用兩個(gè)例如2/2旁通閥或一個(gè)3/2旁通閥可以非常廉價(jià)地實(shí)現(xiàn)控制單元。
在此優(yōu)選將旁通閥在非操作狀態(tài)下關(guān)閉。例如將一個(gè)電動(dòng)旁通閥無(wú)電流地關(guān)閉，以便將催化燃燒器從冷卻劑循環(huán)上切斷。該開(kāi)關(guān)裝置的優(yōu)點(diǎn)在于，在旁通閥可能發(fā)生故障時(shí)不會(huì)有未預(yù)見(jiàn)的熱量輸入到冷卻循環(huán)中。
除了采用兩個(gè)2/2旁通閥或一個(gè)3/2旁通閥的實(shí)施方式之外，閥單元也可以在一種相對(duì)變化的實(shí)施方式中包括一個(gè)比例閥。
原則上也可以考慮使用一種調(diào)整閥瓣作為控制單元。重要的僅僅是，控制單元允許催化燃燒器相對(duì)于冷卻劑循環(huán)接通和/或切斷。
在下一種實(shí)施方式中可以設(shè)有一個(gè)附加的熱轉(zhuǎn)移裝置，它可以接通至冷卻劑循環(huán)和/或與冷卻劑循環(huán)切斷。一種這樣的熱轉(zhuǎn)移裝置例如可以是加熱器或空調(diào)設(shè)備。特別在移動(dòng)的燃料電池系統(tǒng)中可以是車(chē)輛的加熱器和/或空調(diào)設(shè)備。
即使在固定的燃料電池系統(tǒng)中也可以設(shè)有一種這樣的熱轉(zhuǎn)移裝置作為加熱器，例如用于工業(yè)用水等。因此有利的是在燃料電池運(yùn)行期間出現(xiàn)的、尚未完全燃燒的燃料也可以為了改善燃料電池的效率而輸入到系統(tǒng)中。


本發(fā)明的實(shí)施例在附圖中示出，并且下面借助于附圖詳細(xì)解釋。其中圖1具有可接通至冷卻劑循環(huán)和/或可與冷卻劑循環(huán)切斷的催化燃燒器的燃料電池的冷卻循環(huán)；圖2相應(yīng)變化的具有附加設(shè)置的熱轉(zhuǎn)移裝置的實(shí)施例。
具體實(shí)施例方式
圖1示出了一個(gè)燃料電池系統(tǒng)1，包括一個(gè)燃料電池2，其具有一個(gè)用于經(jīng)由其換熱器7冷卻燃料電池2的冷卻劑循環(huán)3。冷卻劑循環(huán)3包括一個(gè)短接回路5和一個(gè)冷卻支路8，其相應(yīng)的冷卻劑供給通過(guò)冷卻劑泵6和通過(guò)相應(yīng)的優(yōu)選按3/2比例閥形式的控制單元12的致動(dòng)進(jìn)行。在激活冷卻支路8的情況下，冷卻器9可以借助于風(fēng)機(jī)10施加氣流11以更好的冷卻。
各單元的監(jiān)控和控制可以借助于監(jiān)控裝置13進(jìn)行，其中，在圖1中的各連接僅示意地用虛線(xiàn)示例表示。
現(xiàn)在本發(fā)明的特征在于，催化燃燒器15與冷卻劑循環(huán)3連接，使得燃燒器可接通至冷卻劑循環(huán)和/或與冷卻劑循環(huán)切斷。因此僅在啟動(dòng)階段有必要將熱量供給到燃料電池的時(shí)候才可以有針對(duì)性的熱量輸入。按本發(fā)明可以避免，在燃料電池已經(jīng)達(dá)到其運(yùn)行溫度或甚至超過(guò)其運(yùn)行溫度的時(shí)候因催化燃燒器熱量輸入而引起的不必要的熱負(fù)荷。
特別有利的是，通過(guò)冷卻劑的循環(huán)的熱量輸入是通過(guò)催化燃燒器15在其接通至冷卻劑循環(huán)3的狀態(tài)期間由本來(lái)就存在于冷卻劑循環(huán)3中的冷卻劑泵6進(jìn)行的，更確切地說(shuō)沒(méi)有對(duì)于其它液體輸送裝置的費(fèi)用和空間的附加需求。
為了控制催化燃燒器15相對(duì)于冷卻劑循環(huán)3的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，設(shè)有一個(gè)控制單元16。該控制單元16優(yōu)選是閥單元16。兩個(gè)2/2旁通閥或一個(gè)3/2旁通閥業(yè)已證實(shí)特別適用于構(gòu)成閥單元16。根據(jù)實(shí)施方式也可以在催化燃燒器15接通至冷卻劑循環(huán)3的情況下，完全關(guān)閉通過(guò)管路4的冷卻劑流，或者選擇地也以平行運(yùn)行即旁通運(yùn)行方式運(yùn)行。轉(zhuǎn)換的類(lèi)型可以根據(jù)系統(tǒng)的要求選出。
在完全切斷管路4并且同時(shí)接通穿過(guò)催化燃燒器至冷卻劑循環(huán)3的管路19的情況下，從催化燃燒器到到冷卻介質(zhì)中的熱量傳遞完全實(shí)現(xiàn)。在管路4與穿過(guò)催化燃燒器15的管路19平行運(yùn)行時(shí)，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)輸入到冷卻劑循環(huán)3中的熱量的減少，這例如在接近燃料電池的最優(yōu)運(yùn)行溫度時(shí)具有優(yōu)點(diǎn)，可以避免向燃料電池上熱量輸入的沖擊式變化。
這種必要時(shí)甚至無(wú)級(jí)的熱量輸入的影響例如也可以通過(guò)使用比例閥或調(diào)整閥瓣作為控制單元16。決定性的僅僅是，在燃料電池2在最優(yōu)運(yùn)行溫度范圍或超過(guò)最優(yōu)運(yùn)行溫度范圍運(yùn)行時(shí)，可以阻止通過(guò)催化燃燒器15產(chǎn)生的熱量，以避免冷卻系統(tǒng)的不必要的熱負(fù)荷。
圖2示出了一種相對(duì)于圖1的用冷卻劑側(cè)的加熱-換熱裝置21擴(kuò)展的實(shí)施例。在圖1中的燃料電池或燃料電池系統(tǒng)的上述部件的附圖標(biāo)記也對(duì)應(yīng)于圖2中的各部件。
加熱-換熱裝置21例如可以是一個(gè)加熱器或一個(gè)空調(diào)機(jī)。在移動(dòng)的燃料電池系統(tǒng)的情況下，它例如可以是車(chē)輛的加熱器或空調(diào)設(shè)備。因此尤其在直至寒冷的低溫時(shí)可以利用催化燃燒器15的不再輸入到冷卻循環(huán)3中的熱量，以改善燃料電池系統(tǒng)的總效率。
出于簡(jiǎn)單描述的原因，不但加熱器22而且蒸發(fā)器23作為一個(gè)單元示出。它們不僅由圖1所示的用于將催化燃燒器15接通至冷卻劑循環(huán)3和/或與冷卻劑循環(huán)3切斷的管路19加載，而且也用可以由風(fēng)機(jī)24產(chǎn)生的氣流25加載。
在圖2的視圖中還附加地示出了一個(gè)監(jiān)控裝置26，它用于控制風(fēng)機(jī)24。另外，風(fēng)機(jī)24也可以由監(jiān)控裝置13控制。
另外也可以將監(jiān)控裝置13和必要時(shí)監(jiān)控裝置26另外通過(guò)控制線(xiàn)路和/或能量供給管路與上級(jí)系統(tǒng)例如車(chē)輛的其它信號(hào)單元和/或能量供給單元連接。
權(quán)利要求
1.燃料電池，它尤其具有聚合物-電解質(zhì)-薄膜，具有一個(gè)冷卻劑循環(huán)和一個(gè)用于加熱冷卻劑的催化燃燒器，其特征在于該催化燃燒器(15)可以接通至冷卻劑循環(huán)(3)和/或與冷卻劑循環(huán)(3)切斷或可任意調(diào)節(jié)。
2.按權(quán)利要求1的燃料電池，其特征在于設(shè)有一個(gè)配屬于所述冷卻劑循環(huán)(3)的冷卻劑泵(6)。
3.按權(quán)利要求1或2的燃料電池，其特征在于設(shè)有一個(gè)用于控制所述催化燃燒器(15)相對(duì)于冷卻劑循環(huán)的開(kāi)關(guān)狀態(tài)的控制單元(16)。
4.按上述權(quán)利要求之一的燃料電池，其特征在于所述控制單元(16)是一個(gè)閥單元(16)。
5.按上述權(quán)利要求之一的燃料電池，其特征在于所述閥單元(16)包括兩個(gè)2/2旁通閥。
6.按上述權(quán)利要求之一的燃料電池，其特征在于所述閥單元(16)包括一個(gè)3/2旁通閥。
7.按上述權(quán)利要求之一的燃料電池，其特征在于所述閥單元(16)包括一個(gè)比例閥(3/2旁通閥或兩個(gè)2/2旁通閥)。
8.按上述權(quán)利要求之一的燃料電池，其特征在于所述控制單元(16)包括一個(gè)3/2旁通調(diào)整閥瓣。
9.按上述權(quán)利要求之一的燃料電池，其特征在于設(shè)有一個(gè)附加的換熱裝置(21)，它可接通至冷卻劑循環(huán)和/或與冷卻劑循環(huán)切斷。
10.按上述權(quán)利要求之一的燃料電池，其特征在于所述催化燃燒器設(shè)置在冷卻劑循環(huán)中冷卻劑泵(6)的抽吸側(cè)區(qū)域內(nèi)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種燃料電池，具有一個(gè)冷卻劑循環(huán)和一個(gè)用于加熱冷卻劑的催化燃燒器。其特征在于催化燃燒器(15)可以接通至冷卻劑循環(huán)和/或與冷卻劑循環(huán)切斷或可任意調(diào)節(jié)。
文檔編號(hào)H01M8/04GK1893158SQ20061010118
公開(kāi)日2007年1月10日 申請(qǐng)日期2006年7月3日 優(yōu)先權(quán)日2005年7月4日
發(fā)明者T·-H·阮-謝菲爾, T·黑德 申請(qǐng)人:羅伯特.博世有限公司