具有再循环工作燃料的燃料电池设备制造技术

本发明专利技术提出了一种燃料电池设备，具有包括阳极（２１）的燃料电池单元（２０），其中，设置再循环单元（３０），用于将从燃料电池单元（２０）流出的含氢工作燃料返回到燃料电池单元（２０）内，再循环单元（３０）包括至少一个用于驱动工作燃料流动的驱动单元（１１），该燃料电池设备具有更高的工作可靠性。这一点依据本发明专利技术由此得以实现，即将驱动单元（１１）设计成利用流体（１０）能量的气动或者液压的驱动单元（１１）。

【技术实现步骤摘要】
具有再循环工作燃料的燃料电池设备
本专利技术涉及一种按权利要求1前序部分所述具有包括阳极的燃料电池单元的燃料电池设备。
技术介绍
近几年来，人们对氢作为未来能源载体的兴趣明显增长。特别是采用氢工作的燃料电池可以对环境有利地产生电能和热能。燃料电池的效率并未受到卡诺循环的限制。利用相应高的效率例如可以保护化石资源和燃料电池在汽车或者热电联合设备上的应用方面减少对化石资源的依赖。特别是对于汽车应用来说，目前也使用所谓的PEM燃料电池(聚合物电解质膜片燃料电池)，其中使用作为燃料目前尽可能纯净的氢所需的质子传导的聚合物膜片。在汽车应用或其它单机系统(Inselsystem)的情况下，氢或含氢的燃料最好储存在压力容器内。目前相应的压力容器设计的存储压力约200-300bar，部分最高为700bar。除了将氢储存在压力容器内外，在汽车应用方面已经“车载”使用例如像汽油或者柴油的碳氢化合物重整或者类似方法。在此，特别是为改进与负荷变化的匹配、冷启动性能，在重整过程和诸如此类的工作故障情况下为氢等使用施加压力的储能器。除了将燃料电池用在汽车上以借助于相应的电动驱动电机产生驱动能量外，燃料电池在汽车应用方面还作为所谓的APUs(辅助动力单元)使用。目前在燃料电池应用方面，燃料或氢通常以典型地高达1.3的系数(λ可达1.3)化学计量的余量输送到阳极，以便更好地利用燃料电池的潜能。未转换或多余的氢再从阳极的出口排出并例如可以返回或再循环到阳极的输入端。这一点通常通过压缩机利用电动机驱动装置实现。在此电动机的优点是可以通过简单断开和接通非常灵活地匹配负荷变化。由于爆炸的危险，在这里必须特别注意压缩机相对于电动机的密封问题。体积比约4％的氢与正常空气的混合就可以点燃。-->此外的缺点是，压缩机的电能消耗在80kW的汽车驱动功率的情况下就处于约2kW的数量级上。
技术实现思路
本专利技术的任务在于提供一种燃料电池设备，具有包括阳极的燃料电池单元，其中设有再循环单元，用于将来自阳极的含氢的工作燃料返回到燃料电池单元内，再循环单元包括至少一个用于驱动工作燃料流动的驱动单元，该设备具有更高的工作可靠性。该任务从开头所述类型的燃料电池设备出发，通过权利要求1的特征性特征得以实现。从属权利要求所述的措施可以是本专利技术的优选实施方案和改进方案。本专利技术燃料电池设备与此相应的突出优势在于，驱动单元是利用流体能量的气动或者液压的驱动单元。利用本专利技术的驱动单元，由于再循环单元或压缩机或者诸如此类的装置的可能的泄漏引发的爆炸危险完全得到消除。与此相应，再循环单元可以满足密封方面明显更低的要求，这一点例如在成本经济的制造中可以反映出来。按照本专利技术的气动或者液压驱动单元为避免特别是由于氢泄漏可能引发的爆炸摒弃以往的发展方向，即尝试将再循环单元或相应的压缩机或者类似物相对于驱动单元尽可能良好地密封或通过部分非常复杂的结构措施等方式减少泄漏危险。然而这一点在依据现有技术的旋转驱动轴的情况下非常复杂并易于出现故障。此外，依据本专利技术可以实现明显降低所谓寄生负荷或再循环单元的固有电耗与现有技术相比减少例如2kW。本专利技术燃料电池系统的总效率由此得到明显提高，这样还可以实现一种经济上有益的运行方式。依据本专利技术的气动或者液压驱动单元例如可以利用流体的流动能量。为此例如可以使用齿轮电动机/齿轮机械装置或者类似物。齿轮电动机例如可以成本经济地将流动流体的能量用于实现本专利技术。驱动单元最好是利用膨胀流体膨胀能量的膨胀机。在依据现有技术的燃料电池设备上，已经以不同的方式将加压的流体用于各种各样的目的或用途。依据本专利技术的这种变型方案，可将相应流体的压力能量以有利的方式用于按照本专利技术的驱动单元。这一点例如意味着，依据本专利技术可以实现至少部分回收为压-->缩流体施加的压缩功。在本专利技术一种特别的改进方案中，气动或者液压的驱动单元是多级驱动单元，其中，例如每级压力从较高的水平向稍低的水平过渡，该水平再向更低的下一级压力水平过渡等等。由此，一方面非常有效的利用压力能量，而另一方面例如利用一个或者多个加热单元实现膨胀时冷却的流体的中间加热。加热单元最好是换热器。在此，换热器可以例如将燃料电池单元、内燃机和/或者其它的例如像转化器或者类似物的产生热的部件的废热用于加热流体。有利地是，再循环单元包括至少一个用于压缩工作燃料和/或者流体的压缩机。由此可以以有利的方式例如平衡阳极输出端和阳极输入端之间的压差。例如，将本专利技术的压缩机设计成螺旋式、螺式和/或者叶片压缩机和/或者涡轮机或者类似物。最好采用商业上常见的部件或压缩机，由此实现本专利技术的一种特别是经济上有益的实施方式。在本专利技术的一种优选实施变型方案中，设置用于将压缩机与气动或者液压驱动单元耦合的机械耦合装置。通过这种措施进一步提高工作可靠性。耦合装置最好包括至少一个轴。这样可以特别简单地实现压缩机和气动或者液压驱动装置之间的耦合。例如，驱动装置和压缩机设置在一个共用轴上。这样降低了本专利技术的结构开支。例如驱动单元和压缩机在单独的外壳内和/或者借助于隔板或者类似物彼此分离。气动或者液压驱动单元和压缩机最好设置在一个共用外壳内或具有一个共用外壳。由此例如在压缩机泄漏的情况下流出的含氢工作燃料例如溢流到驱动单元内，从而含氢的工作燃料可以以有利的方式排出，从而氢不会到达危险的爆炸极限范围内。这样进一步提高了本专利技术的可靠性。此外，例如驱动单元可以将含氢的工作燃料输送到燃料电池单元内，从而可以实现含氢泄漏工作燃料的再利用。通常具有优点的是，气动或者液压驱动单元是压缩机。由此可以实现一种依据本专利技术特别简单的驱动单元。压缩机的压缩机元件最好是膨胀机的膨胀元件。由此实现了相应元件的多重利用，从而明显降低了本专利技术的结构开支。压缩机元件和/或者膨胀元件最好是一个共用转子的特别是可运动的叶片。由此进一步降低了结构开支。例如，转子在共用外壳的内部旋转并具有压缩机元件或膨胀元件，这些元件一方面压-->缩或膨胀工作燃料，另一方面也压缩或膨胀流体。在本专利技术一种特别有利的实施方式中，流体基本上为燃料电池单元的燃料。由此可以特别完美的方式将能量，特别是燃料的流动能量和/或者压力能量用于驱动工作燃料的再循环。例如，来自阳极的含氢工作燃料在燃料进入燃料电池单元的情况下始终积累，从而再循环工作燃料的相应驱动无需很多的控制技术开支便可实现。最好设置用于旁通驱动单元的旁路。该旁路例如可以用于实现输送到燃料电池单元的氢量或燃料量与再循环工作燃料的驱动无关。这一点特别是意味着，可以有利地实现输送到阳极的燃料量与再循环的工作燃料流量的分开。例如，旁路具有调节机构，特别是可调节流阀，因此可以以有利的方式调节燃料量和/或者工作燃料量。如果例如不要求与输送到燃料电池单元的燃料量独立地进行驱动，可以取消旁路。在本专利技术一种有利的变型方案中，驱动单元设置在燃料蓄压器和/或者燃料调节器和燃料电池单元和/或者燃料计量单元之间的流动行程中。由此以有利的方式可将加压的燃料用于驱动再循环回路。附图说明附图中示出本专利技术的一种实施例，下面借助附图进行详细说明。其中：图1示出一种按照本专利技术实施方式的示意方框图；以及图2示出本专利技术再循环装置的原理图。具体实施方式图1示意地示出燃料电池系统的原理性结构，其具有本文档来自技高网...

【技术保护点】
燃料电池设备，具有包括阳极的燃料电池单元，其中，设有再循环单元（３０），用于将从燃料电池单元（２０）流出的含氢工作燃料返回到燃料电池单元（２０）内，再循环单元（３０）包括至少一个用于驱动工作燃料流动的驱动单元（１１），其特征在于，该驱动单元（１１）是利用流体（１０）能量的气动或者液压的驱动单元（１１）。

【技术特征摘要】
DE 2005-2-28 102005009674.31.燃料电池设备，具有包括阳极的燃料电池单元，其中，设有再循环单元(30)，用于将从燃料电池单元(20)流出的含氢工作燃料返回到燃料电池单元(20)内，再循环单元(30)包括至少一个用于驱动工作燃料流动的驱动单元(11)，其特征在于，该驱动单元(11)是利用流体(10)能量的气动或者液压的驱动单元(11)。2.按权利要求1所述的燃料电池设备，其特征在于，所述驱动单元(11)是利用膨胀流体(10)的膨胀能量的膨胀机(11)。3.按前述权利要求之一所述的燃料电池设备，其特征在于，所述再循环单元(30)包括至少一个用于压缩工作燃料和/或者流体(10)的压缩机(11)。4.按前述权利要求之一所述的燃料电池设备，其特征在于，设置用于将压缩机(11)与气动或者液压的驱动单元(11)耦合的机械连接装置(40、41)。5.按前述...

【专利技术属性】
技术研发人员：W斯特罗尔，G本特利昂，TH阮沙弗，K雷曼，M鲍尔勒，H舒内德，G温克勒，T海德，
申请(专利权)人：罗伯特博世有限公司，
类型：发明
国别省市：DE[德国]