用于燃料電池系統(tǒng)的再循環(huán)裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種用于燃料電池系統(tǒng)（1）的再循環(huán)裝置（14），其具有：至少一個燃料電池（2），所述燃料電池具有陽極區(qū)（3）和陰極區(qū)（4）；再循環(huán)管道（12），所述再循環(huán)管道將陽極區(qū)（3）的出口（11）和入口（10）連接起來；液體分離器（15），所述液體分離器設置在再循環(huán)管道（12）區(qū)域內(nèi)并具有排放管道（16），其中排放管道具有用于液體和/或氣體的排放閥（17）。本發(fā)明的特征在于，在排放管道（16）區(qū)域內(nèi)設置有用于控制排放閥（17）的氣泡傳感器（18）。用于將液體和/或氣體從這種再循環(huán)裝置（14）中排放出去的方法規(guī)定，打開排放閥（17），然后根據(jù)由氣泡傳感器（18）檢測到的事件關閉該排放閥。
【專利說明】用于燃料電池系統(tǒng)的再循環(huán)裝置
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種根據(jù)權利要求1的前序部分中詳細定義的類型的用于燃料電池系統(tǒng)的再循環(huán)裝置。
【背景技術】
[0002]根據(jù)一般現(xiàn)有技術已知的是一種利用氣態(tài)反應物(Edukten)-例如空氣和氫
氣或含有氫氣的氣體——運行的燃料電池系統(tǒng)。它們一般具有至少一個帶有陽極區(qū)和陰極區(qū)的燃料電池。典型地，上述燃料電池由多個單獨的燃料電池堆疊而成，并被稱為燃料電池堆。在這種燃料電池中，尤其是在PEM技術的燃料電池中，從陽極區(qū)中排出的廢氣通常被收集在一起，然后與新鮮的氣體——尤其是新鮮的氫氣——一起重新輸送入陽極區(qū)。為此就需要再循環(huán)裝置。
[0003]在有關的W02008/052578A1中，在名稱“燃料回路”下說明了這樣的再循環(huán)裝置。在該再循環(huán)裝置中，通過液體分離器將廢氣從燃料電池的陽極區(qū)中輸出來，并與那些新鮮的、流向燃料電池的氣體混合在一起，然后重新輸送到陽極區(qū)。為補償再循環(huán)管道區(qū)和陽極區(qū)內(nèi)的壓力損失，可設計再循環(huán)輸送裝置。其在現(xiàn)有技術中是已知的，一般被設計為鼓風機和/或氣體噴射泵以及射流泵。
[0004]現(xiàn)在的情況為，在回送到陽極區(qū)入口的廢氣氣流中，惰性氣體和水隨著時間出現(xiàn)積聚。通過液體分離器將上述水從氣流中分離出來，以防止陽極區(qū)中出現(xiàn)水的“水滿溢”。上述惰性氣體，尤其是通過燃料電池膜從陰極區(qū)擴散到陽極區(qū)中的氮氣，隨著時間在再循環(huán)裝置中積聚。由此造成氫濃度的下降。為確保燃料電池的良好性能，必須不時將水和惰性氣體從再循環(huán)裝置的回路中排除出去。
[0005]為此，W02008/052578A1說明了一個排放閥，其位于液體分離器的排放管道中。例如，可通過液體分離器中的液位傳感器或者說水位傳感器來控制上述排放閥。其中的目的始終是將水完全從回路區(qū)域排出，然后完全排出惰性氣體，同時不會將太多氫氣排放到環(huán)境中。
[0006]其中發(fā)現(xiàn)，一般設計為電容形式的液位傳感器很容易造成污染，與此同時，其功能性也是非常不可靠的。
[0007]因此，在實踐中排放閥通常被設計為采用時間控制運行方式，例如以便不時打開排放閥，并在一定時間后重新關閉。其中通過組合特征曲線或試驗來設計時間，以便完全排出水，并在任何情況下都完全排出惰性氣體，且同時防止排出太多氫氣。因為可以在不同負荷情況下運行燃料電池，且尤其是使用在車輛中時一般可以非常動態(tài)地運行燃料電池，所以累積的水量通常變化很大，其中的水量取決于功率以及在陽極區(qū)中消耗的氫氣。因此在采用純時間控制的情況下，再循環(huán)裝置的回路中水量過多通常會導致問題。因為流動的水如果滲入陽極區(qū)中可阻塞陽極區(qū)的活性面，這對燃料電池的性能是非常不利的。因此在任何情況下都是這樣設計時間控制的，即流動水完全被排出。尤其在部分負荷運轉下時間間隔則很長，從而額外導致了相對大的氫氣損失量，這是不期望的。[0008]另一個用于改進排放閥開關的可能性在于，預先計算存在的水量，方法是預先設定由相應積累的功率導致的在陽極區(qū)內(nèi)產(chǎn)生的水量，并進行累加。一旦在再循環(huán)裝置的回路中積累了相應的水量，則針對與水量相符的時間開啟排放閥。這與純時間控制的排放閥開啟相比就改進了功能。但是總存在波動和誤差，因此在這里氫氣損失量高于預期，原因在于，出于上文所述原因在開啟時間方面總需要保留一定安全性，以便在任何情況下都能將全部水從再循環(huán)裝置區(qū)域排出去。
[0009]另一個改善控制的可能性典型地在于，在排放管道中在閥門裝置后設置氫氣傳感器。但是這一方法相對而言更復雜，易受干擾且成本高。
[0010]德國專利申請DE102009036197A1中描述了另一種可能性。在此放棄了氫氣傳感器，取而代之的是將排出的介質流輸送到陰極區(qū)以及流動到陰極的空氣入口區(qū)域中。如果氫氣進入陰極區(qū)，那么會導致燃料電池的電壓干擾，這尤其可在部分負荷運行下被識別出。氫氣到達陰極側則顯示出:水和惰性氣體被排出?？上鄳仃P閉排放閥。
[0011]這種方法同樣存在決定性缺點，即在此氫氣損失量比必要損失量明顯更高，這是因為氫氣必須首先克服在排放閥和陰極區(qū)之間的管道長度，之后才能被檢測到。處于這一管道長度中的氫氣在每個排出過程中必然會產(chǎn)生無用的損失。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0012]本發(fā)明的任務在于，提出一種用于燃料電池系統(tǒng)的再循環(huán)裝置，它可以安全可靠地運行，且結構簡單有效。此外，還提出了一種用于將液體和/或氣體從這樣的再循環(huán)裝置中排出的方法，通過這一方法將氫氣損失降到最低。
[0013]根據(jù)本發(fā)明，通過在裝置權利要求1的特征部分中列出的特征來解決上述任務。本裝置的有利的進一步設計方案根據(jù)從屬權利要求得出。此外，通過一種用于從此類再循環(huán)裝置中排出水和/或氣體的、具有權利要求5的特征部分中的特征的方法來解決上述任務。所述方法的有利設計方案根據(jù)從屬權利要求得出。最后在權利要求10中還另外對此類再循環(huán)裝置或此類方法的應用進行了說明。
[0014]根據(jù)本發(fā)明的用于燃料電池系統(tǒng)的再循環(huán)裝置必要地具有再循環(huán)管道，它將燃料電池的陽極區(qū)的出口與其入口連接起來。在再循環(huán)管道區(qū)域內(nèi)設置有液體分離器，它具有排放管道，其中排放管道具有用于液體和/或氣體的排放閥。根據(jù)本發(fā)明，在排放管道區(qū)域內(nèi)設置有氣泡傳感器，用于控制排放閥。通過上述氣泡傳感器可將在排放管道中流動的液體與在排放管道中流動的氣體簡單且非常有效地區(qū)分開。通過上述氣泡傳感器可確定并檢測流動液體和跟隨其后的氣體之間的過渡/轉變。該過渡可以用于控制排放閥。在此，尤其可將上述傳感器設計為非接觸式傳感器，優(yōu)選為超聲波傳感器、光傳感器或類似傳感器。這種具有高可靠性和高分辨率的氣泡傳感器在市場上價格不高，因此能夠簡單、可靠且低成本地實現(xiàn)用于燃料電池系統(tǒng)的再循環(huán)裝置。
[0015]在此，在根據(jù)本發(fā)明的再循環(huán)裝置的特別有益和有利的進一步設計方案中，氣泡傳感器可以在排放管道區(qū)域內(nèi)沿排放的體積流的流動方向設置在排放閥后面。尤其在排放閥后面的區(qū)域內(nèi)可對液體和氣體之間的重要過渡進行檢測，由此就能夠關閉排放閥并結束排出過程。由此，可將在排出過程中一起排出的氫氣量相應地降到最低。
[0016]如已提及的，在此尤其可將氣泡傳感器設計為非接觸式氣泡傳感器。這使得結構具有簡單有效的特點，這在降低污染方面特別有利，因為氣泡傳感器一般只從外部環(huán)繞排 放管道，因此不接觸在排放管道中流動的介質。由此排除了這些介質導致的污染，與現(xiàn)有技 術中已知的設置在體積流中的電容式液位傳感器相比，氣泡傳感器的運行安全可靠，且不 會導致污染。
[0017]根據(jù)本發(fā)明的方法規(guī)定，打開排放閥，然后根據(jù)由氣泡傳感器檢測到的事件/情 況重新關閉排放閥。
[0018]根據(jù)本發(fā)明的方法規(guī)定，根據(jù)例如現(xiàn)有技術中任意的已知方法來開啟排放閥。例 如，可以采用時間控制開啟方式，當然作為替代，也可根據(jù)再循環(huán)裝置中的預先計算的水量 來開啟，或根據(jù)燃料電池提供的功率和各時間段中平均的或累加得出的功率之間的特征曲 線來開啟。如果排放閥以上述已知的方式開啟，那么排放閥保持打開狀態(tài)，直到氣泡傳感器 檢測到相應的事件，根據(jù)這一事件重新關閉排放閥。
[0019]在根據(jù)本發(fā)明的方法的特別有益和有利的進一步設計方案中規(guī)定，對氣泡傳感器 進行校準，以使其對排出的液體和其后排出的氣體之間的過渡進行檢測。如果這樣的事件 顯示液體也被完全排出，那么應用這一事件將排放閥重新關閉。根據(jù)氣泡傳感器的不同位 置(主要為在流動方向上直接在排放閥之后或在排放閥后的體積流方向上的一定距離后) 可確保，在任何情況下直到氣泡傳感器區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)氣體并且液體完全從液體分離器中排放 出去之前，排放閥不會關閉。排放閥可直接關閉，這在排放閥和氣泡傳感器之間存在相應距 離時尤其有利；或者排放閥也可相應地時間延遲地關閉，這在氣泡傳感器緊接著設置在排 放閥之后時特別有利。由此可一直確保一定量的氣體一起被排出去，這樣除排放出去的水 以外，還安全可靠地將惰性氣體從再循環(huán)裝置中排放出去。
[0020]在所說明的結構中，氣泡傳感器和排放閥之間的規(guī)定的時間間隔和/或路程距離 在此決定了排放出去的氣體量和(如情況可能)所逸出的氫氣量。為將其降至最低，在根據(jù) 本發(fā)明的特別有益和有利的進一步設計方案中做了如下規(guī)定，即在根據(jù)排放閥開啟與在氣 泡傳感器的區(qū)域內(nèi)檢測出氣體之間的時間持續(xù)以及可能情況下根據(jù)排放閥和氣泡傳感器 之間的流動距離在排放閥上已知或測量到壓差并且在該排放閥區(qū)域內(nèi)已知流動橫截面的 情況下，得出排放出的液體量，并且等待取決于排放液體量的規(guī)定時間直到排放閥關閉。因 為實際的液體量總是取決于燃料電池的實際運行條件、尤其取決于其所產(chǎn)生的功率，所以 再循環(huán)裝置中存在的惰性氣體量也取決于排放的液體量。如果根據(jù)所排放的液體量——例 如通過特征曲線——來確定從排放管道中檢測到氣體到關閉排放閥之間的規(guī)定時間，那么 就總能夠安全可靠地排放全部惰性氣體量，同時除必須量外不會有更多氫氣逸出。
[0021]根據(jù)本發(fā)明的再循環(huán)裝置以及用于排放液體和/或氣體的方法非常高效可靠，且 可簡單、低成本地實現(xiàn)和實施。因此上述再循環(huán)裝置和方法非常適合使用在燃料電池系統(tǒng) 中，其中燃料電池系統(tǒng)在機動車中產(chǎn)生電力，特別是用于驅動目的。
[0022]簡單、低成本的結構尤其在汽車應用以及與此相關的件數(shù)方面具有決定性作用。 可靠的功能性是同樣重要的，以將維修和保養(yǎng)降到最低并實現(xiàn)機動車的盡可能長的保養(yǎng)間 隔時間。
[0023]根據(jù)本發(fā)明的再循環(huán)裝置以及根據(jù)本發(fā)明的用于將液體和/或氣體從上述再循 環(huán)裝置中排放出去的方法的進一步的有利設計方案由實施例得出，下面參考附圖對該實施 例進行詳細說明?！緦＠綀D】

【附圖說明】
[0024]在唯一一張附圖中示出了燃料電池系統(tǒng)以及此類燃料電池系統(tǒng)針對本發(fā)明所需的部分。
【具體實施方式】
[0025]附圖中的示圖示出了燃料電池系統(tǒng)I的原理。燃料電池系統(tǒng)I的核心為燃料電池2，它被設計為多個單獨燃料電池的堆疊，也就是所謂的燃料電池堆。燃料電池2具有陽極區(qū)3和陰極區(qū)4，它們由質子傳導性的膜5分開。因此，燃料電池2為一個PEM燃料電池。通過空氣輸送裝置6將過濾后的空氣作為含氧介質輸送到燃料電池2的陰極區(qū)4。使用后的廢氣通過廢氣管道7從燃料電池系統(tǒng)I中排出。上述廢氣例如可排放到環(huán)境中，通過渦輪機消除壓力(entspannt)和/或供給燃燒。但是這對本發(fā)明是無關緊要的。
[0026]將壓縮氣體存儲器8中的氫氣通過閥門和壓力調整裝置9輸送到燃料電池2的陽極區(qū)3。新鮮的氫氣通過輸送管道向陽極區(qū)3的入口 10流動，并在陽極區(qū)3中部分與陰極區(qū)4排出的氧氣一起轉化為電能和水。未轉化的氫氣通過陽極區(qū)3的出口 11進入再循環(huán)管道12，并通過再循環(huán)輸送裝置13引入到流動到陽極區(qū)3的入口 10處的新鮮氣流區(qū)域內(nèi)。在此，再循環(huán)輸送裝置13可以已知方式設計為再循環(huán)鼓風機和/或一個或多個氣體噴射泵，它們典型地由從壓縮氣體存儲器8中排出的新鮮氣流進行驅動。除再循環(huán)管道12和再循環(huán)輸送裝置13外，用于燃料電池系統(tǒng)I的再循環(huán)裝置14在再循環(huán)管道12區(qū)域內(nèi)還具有液體分離器15。液體分離器15用于分離液體，尤其是再循環(huán)裝置14中的氣流中的水。分離出的水積累在液體分離器15中并不時通過具有排放閥17的排放管道16排出，以清空液體分離器15并排出隨著時間積累在圍繞著陽極區(qū)3的再循環(huán)裝置14區(qū)域內(nèi)的惰性氣體。排放管道16將排出的水和/或排放出的氣體排放到環(huán)境中，或如排放管道16的虛線部分16A所示，排放到流到陰極區(qū)4的空氣區(qū)域中去。
[0027]此外，在排放管道16區(qū)域中再循環(huán)裝置14還具有氣泡傳感器18以及用于評估氣泡傳感器18的信號并控制排放閥17的電子控制裝置19。在此，排放閥17設計為純粹的開關閥，尤其可設計為電磁閥?？赏ㄟ^控制裝置19進行相應控制，以將水和惰性氣體從再循環(huán)管道12的區(qū)域排出。其中排放閥17的開啟可以已知方式進行。尤其可采用時間控制方式來開啟排放閥17，也就是在上一次開啟以來的規(guī)定的相應時間段后。備選地或補充地，開啟還可以通過以下方式觸發(fā)，即對由燃料電池2所輸出的功率進行整合，并且總是在燃料電池完成一定的工作后開啟排放閥17。另一種可能性為，根據(jù)預測的在再循環(huán)管道區(qū)域和陽極區(qū)內(nèi)以及最后在液體分離器15區(qū)域內(nèi)存在的水量來開啟排放閥17。例如，可根據(jù)燃料電池的功率相應地對上述水量進行計算或估測，這樣當預測或預先計算到液體分離器15中的水量達到例如三分之二時，總是能夠開啟排放閥17?？蛇x地，來自現(xiàn)有技術的同樣已知的方法，即生成開啟排放閥17的信號，同樣也是可設想和可能的。
[0028]排放閥17的關閉根據(jù)由氣泡傳感器18檢測到的事件來進行。氣泡傳感器18尤其設計為非接觸式氣泡傳感器，特別是超聲波氣泡傳感器。此類超聲波氣泡傳感器18可設置在排放管道周圍，且無需為此中斷排放管道。氣泡傳感器18可通過排放管道16的壁無接觸地檢測出在排放出的介質流中可能存在的氣泡，且為此無需連接氣泡傳感器18和排放管道16的內(nèi)部。因此在排放管道16中流動的介質不會造成氣泡傳感器18的污染?？蓪馀輦鞲衅?8設置的非常敏感，以便例如能夠識別出液體流中的最小的氣泡。在此需對本結構的再循環(huán)裝置14中的氣泡傳感器18進行校準，以識別液體分離器15中的水以及在水之后的惰性氣體之間的過渡。當全部的水量或液體量已通過氣泡傳感器并且水之后的氣體(在此尤其指惰性氣體)流過排放管道16時，氣泡傳感器18總是發(fā)出事件。然后，控制裝置19對所述事件進行相應評估，并且根據(jù)評估結果直接或時間延遲地關閉排放閥17。
[0029]關閉排放閥17的目的始終是將全部水量以及額外的在再循環(huán)管道12和陽極區(qū)3中積累的惰性氣體排放出去，其中不會有氫氣或不會有超過必須量的氫氣進入到環(huán)境或者流向陰極區(qū)4的進氣流中。
[0030]上述目的在本發(fā)明的非常簡單的第一實施方式中是通過如下方式實現(xiàn)的，即在通過氣泡傳感器18檢測出從液體到氣體的過渡時，總是隨之關閉排放閥17。根據(jù)氣泡傳感器18的不同位置(主要是在流動方向上直接在排放閥17之后或在排放閥17后的流動方向上的一小段距離后)在排放閥關閉前，始終已有一定量的氣體(在此主要為存在的惰性氣體)流過排放閥17。在無法自由選擇排放閥17和氣泡傳感器18之間的排放管道距離以使其可以形成時間偏移的情況下，可在氣泡傳感器18直接設置在排放閥17后的情況下相應地規(guī)定一個時間偏移，作為上述路段的補充或替代。這個結構確保存在的水的總量始終被排出。此外還有少量的氣體被一同排出，其中排出氣體量可與積累的惰性氣體量相符合。
[0031]但是在擴展的實施方式中，也可通過氣泡傳感器18非常準確地檢測或確定排出的水量。為此對排放閥17之前和之后的壓差進行測量，或者所述壓差根據(jù)燃料電池系統(tǒng)I的工作壓力是已知的。結合排放閥17區(qū)域內(nèi)的已知的流動橫截面，可基于排放閥17的開啟和氣泡傳感器18區(qū)域內(nèi)檢測到氣體之間的時間持續(xù)以及可能情況下的排放閥17和氣泡傳感器18之間的流動距離來確定排放出的液體量。例如可在控制裝置19中進行上述確定過程。排放出的液體量與燃料電池2所要求的功率相關聯(lián)，且在采用時間控制方式來開啟排放閥17的情況下，根據(jù)對燃料電池2的不同的動態(tài)要求，排放出的液體量可能非常不同。通常除產(chǎn)生的水量外，產(chǎn)生的惰性氣體量也取決于上述參數(shù)。根據(jù)產(chǎn)生的水量(可根據(jù)上述方式通過排放時間來確定)可簡單地確定在再循環(huán)管道12和陽極區(qū)3中存在的惰性氣體量。如果規(guī)定了在氣泡傳感器18中檢測到事件后到排放閥17關閉為止的規(guī)定時間，也就是根據(jù)得出的水量規(guī)定了上述時間，那么可確保惰性氣體的安全可靠的排放，同時不會將超出必須量的氫氣一同排出去。
[0032]上述結構特別簡單，且不容易出現(xiàn)污染和干擾，因為氣泡傳感器18以無接觸方式運行，并且不接觸排放管道16中的介質流。因此介質流不會像在例如使用電容式液位傳感器的情況下一樣污染氣泡傳感器。
[0033]總而言之，再循環(huán)裝置14以所說明方式以及所說明的用于將液體和/或氣體從再循環(huán)裝置14區(qū)域中排出的方法由此實現(xiàn)了簡單和高效的結構，所述結構的運行安全可靠并且可相應地低成本地實現(xiàn)。因此具有上述再循環(huán)裝置14的燃料電池系統(tǒng)I可優(yōu)選使用在高負荷系統(tǒng)中，所述高負荷系統(tǒng)以高動態(tài)方式運行，并且因為件數(shù)多而要求具有低成本。優(yōu)選的應用方式為在機動車輛中使用燃料電池系統(tǒng)1，尤其用于提供電能以驅動機動車輛。
【權利要求】
1.一種用于燃料電池系統(tǒng)(I)的再循環(huán)裝置(14)，其具有:至少一個利用氣態(tài)反應物 運行的燃料電池(2)，所述燃料電池具有陽極區(qū)(3)和陰極區(qū)(4);再循環(huán)管道(12)，所述再 循環(huán)管道將陽極區(qū)(3)的出口(11)和入口(10)連接起來；液體分離器(15)，所述液體分 離器設置在再循環(huán)管道(12)區(qū)域內(nèi)并具有排放管道(16)，其中所述排放管道具有用于液 體和/或氣體的排放閥(17)，其特征在于，在排放管道(16)區(qū)域內(nèi)設置有用于控制排放閥 (17)的氣泡傳感器(18)。
2.根據(jù)權利要求1所述的再循環(huán)裝置(14)，其特征在于，氣泡傳感器(18)在排放管道(16)區(qū)域內(nèi)沿排放的體積流的流動方向設置在排放閥(17)后面。
3.根據(jù)權利要求1或2所述的再循環(huán)裝置(14)，其特征在于，氣泡傳感器(18)設計為 非接觸式氣泡傳感器(18)，特別是超聲波傳感器。
4.根據(jù)權利要求1、2或3所述的再循環(huán)裝置(14)，其特征在于，氣泡傳感器(18)從外 部環(huán)繞排放管道(16)。
5.一種用于將液體和/或氣體從根據(jù)權利要求1至4中任一項所述的再循環(huán)裝置(14) 中排放出去的方法，其特征在于，打開排放閥(17)，然后根據(jù)由氣泡傳感器(18)檢測到的 事件重新關閉所述排放閥。
6.根據(jù)權利要求5所述的方法，其特征在于，對氣泡傳感器(18)進行校準，以使其對排 出的液體和其后排出的氣體之間的過渡進行檢測。
7.根據(jù)權利要求5或6所述的方法，其特征在于，在檢測到事件后以時間延遲的方式關 閉排放閥(17)。
8.根據(jù)權利要求5、6或7所述的方法，其特征在于，在根據(jù)排放閥(17)開啟與在氣泡 傳感器(18)的區(qū)域內(nèi)檢測出事件之間的時間持續(xù)以及可能情況下根據(jù)排放閥(17)和氣泡 傳感器(18)之間的流動距離在排放閥(17)區(qū)域內(nèi)已知或測量到壓差或已知流動橫截面的 情況下，得出排放出的液體量，其中等待在事件和排放閥(17)的關閉之間的取決于排放液 體量的規(guī)定時間。
9.根據(jù)權利要求5至8中任一項所述的方法，其特征在于，根據(jù)燃料電池的累加的功率 值或借助計算出的在再循環(huán)裝置(14)中預期存在的液體量，采用時間控制方式來開啟排放 閥(17)。
10.一種對根據(jù)權利要求1至4中任一項所述的再循環(huán)裝置(14)和/或根據(jù)權利要求 5至9中任一項所述的方法在燃料電池系統(tǒng)(I)中的應用，通過燃料電池系統(tǒng)在機動車輛中 產(chǎn)生電力，尤其用于驅動。
【文檔編號】H01M8/04GK103563147SQ201280025490
【公開日】2014年2月5日 申請日期:2012年5月4日 優(yōu)先權日:2011年5月25日
【發(fā)明者】A·穆特施爾 申請人:戴姆勒股份公司