对燃料电池系统中水平衡的调整技术方案

本发明专利技术涉及一种对燃料电池系统的阳极回路中的流体平衡进行控制的方法。采用该方法时在一冷凝装置中对至少阴极端排出的气体进行冷却，以便冷凝成液体和将冷凝出的液体输送给燃料电池系统的阳极回路。本发明专利技术还涉及一种根据本发明专利技术的方法的原理设置的燃料电池系统。（*该技术在2023年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
对燃料电池系统中水平衡的调整
本专利技术涉及一种在燃料电池系统的阳极回路中的流体平衡控制的方法。采用该方法时对至少在冷凝装置中的阴极排出的气体进行冷却，以便冷凝成液体和将冷凝出的液体输送给燃料电池系统的阳极回路。其中不需要对阳极回路进行主动冷却。
技术介绍
在许多燃料电池系统中在阳极端不是采用纯燃料，而是采用通常用水稀释的燃料混合物，所述燃料混合物在穿流过燃料电池时被消耗。所述燃料例如是甲醇、乙醇、三氧杂环己烷、二甲氧基甲烷、三甲氧基甲烷和二甲醚。但大多数情况并不能完全消耗掉。为了可以利用该未被用尽的燃料和为了省掉外部的供水，采用阳极回路流工作，其中对被消耗的燃料混合物通过添加燃料重新增浓并重新输送给阳极端。所述的回路流当然涉及的不是一种闭合回路。一方面必须将反应产物(废物)从回路中排放掉并补充被消耗掉的燃料，另一方面必须对水的损耗进行补偿，所述水损耗是由于水从阳极端到达阴极端(Water Drag)和与废气一起排出造成的。为了保持系统中水量的恒定或为了可以对系统中水量的偏差进行修正，保留在阴极端出现的一部分水并以液体形式重新输送给阳极回路。在排出的废气中实际排放的水量应精确地等于作为反应产物形成的或与阴极气体一起被送入的水量相等。系统对水的排放是以水蒸气饱和的废气形式和以液体形式实现的，后者可以简单地被重新输送到流体回路。如果不采取其它的措施势必由于系统中产生的热在废气端会产生大于为保持恒定的水量允许排放的水量的水蒸气。-->为了减少作为水蒸气形式的水量和实现被补偿的水平衡，通常将把系统的工作温度降低到使废气携带的水蒸气量精确地与多余的水量(即作为反应产物形成的水或从外部，例如送入空气时加入的水量)相符的程度。为了实现对燃料电池的冷却建立有阳极端回路流，在将废气分离出后所述回路流在重新被送给阳极之前被换热器换热。实现水平衡所需的系统温度常常很低和其与环境的温差很小，所以只有通过相应大型的和大功率的通风器支持的换热器才能实现对热充分的排放。当环境温度升高时，对于换热重要的温差很小，因而即使采取此措施也不能满足要求和必须将系统断开。
技术实现思路
面临现有技术中存在的这些缺陷，本专利技术的目的在于提出经改进的用于控制燃料电池系统的阳极端的流体平衡的方法，采用该方法即使在环境温度较高时也可以进行工作。本专利技术的另一目的在于提出相应的燃料电池系统。上述目的通过采用具有权利要求1和2所述步骤的方法，或通过采用权利要求5所述的燃料电池系统得以实现。在从属权利要求中对本专利技术的方法和系统的有益的进一步设计做了描述。采用本专利技术的对燃料电池系统的阳极回路中的流体平衡进行控制的方法时，首先测定说明燃料电池系统中的液体量和/或液体量变化的特性测量值；根据测定的特性测量值调节冷凝装置的冷却能力和/或调节阴极端的体积流量；在冷凝装置中对阴极端排出的气体进行冷却，以便冷凝成液体和将冷凝出的液体输送给燃料电池系统的阳极回路。根据另一方案也对阳极端排出的气体进行冷却，确切地说，与阴极端排出的气体一起冷却，或在一个单独冷凝装置中进行冷却。尽管在阳极端(每单位时间)出现的水蒸气量通常明显地少于阴极端出现的水蒸气量，但阳极端排出的气体具有较高的燃料分量，此燃料分量通过冷凝至少可以部分被回收。在采用通常的对阳极回路有效冷却实现对流体平衡进行控制的方法时，对阳极流进行冷却和随之间接地对整个燃料电池进行冷却，从而为了保证液体平衡使在输出端排放的流体的液体分量充分地大，与上述相反在-->本专利技术中有效地增大在阴极上排出的流体中的液体分量，以便对液体平衡进行补偿。对阳极流(或整个燃料电池的)温度不进行调整，而是自动地进行调节。所述温度在本专利技术的对流体平衡控制中起着从属参数的作用，但所述温度采用通常的方法时却是调整参数(独立的变量)。本专利技术不仅具有对燃料电池(例如阳极回路)不需要进行有效的冷却的优点，而且在采用本专利技术的方法时，可以将整个系统调节到较高的温度上，因此在采用本专利技术的方法时流体与环境之间的温差大于通常的对阳极回路冷却的方法。由于温差较大因而可以较为有效地将热排放到环境中，因而冷却装置的换热器的尺寸较小和/或对换热进行有效辅助的装置，例如通风器的功耗较小。为了将阴极流体分离成气体分量和液体分量可以将一个相应的分离装置设置在冷凝装置的前面或后面。也可以将冷凝装置设计成具有下述功能：(1)增大液体分量，和(2)从液体中分离出气相。此点同样也适用于下面将加以描述的本专利技术方法的进一步设计。最好将阴极端和阳极端排出的流体在离开燃料电池后汇集在一起和在一个共同的冷凝装置中对汇集在一起的流体的气体分量进行冷却，以便冷凝成液体并输送给燃料电池系统的阳极回路。在本情况下仅需要一个冷凝装置，因而为实施本专利技术的方法的优选进一步设计所付出的代价不会高于仅阴极流体流过冷凝装置情况下付出的代价。由于外部的影响(例如环境温度)和固有的过程(例如老化现象)也会对液体平衡产生影响，所以必须对冷凝出的液体量进行控制。最好此点通过对冷却装置的冷却效率的控制加以实现，例如可以采用用于控制换热强度的通风装置。在本专利技术中通过测定说明燃料电池系统中液体量变化的特性测量值可以早期识别出液体平衡中的这些变化，和根据测定的特性测量值对冷凝装置的冷凝效率进行调节。对此附加或另外可以根据测定的特性测量值可以通过对阴极端流体输送的体积流量的调节实现对液体平衡的修正。例如可以采用在阳极回路中的液位传感器对液体量的变化进行监视，而不必求出变化的绝对值。这种液位传感器可以设置在立管内，或另外和优选设置在中间储罐内，在所述中间储罐内对重新输送给阳极回路的液体-->进行中间储存。根据上述方法的进一步设计将经冷凝后余剩的废气-如果仅阴极端的气体流过冷凝装置，则将所述余剩的废气与阳极端的废气混合-加热到燃料电池系统的燃料电池装置的温度上，因而可以将相对湿度降低到饱和值下面，和接着使其流过催化燃烧器，在催化燃烧器内燃料剩余物和中间产物被“燃烧尽”，以便减少排放中的有害物质含量。在采用通常的方法时，由于废气具有基本与系统相同的温度，因而只有采用单独的加热装置和或对催化燃烧器进行加热才能充分地降低相对湿度，所以不能实现本专利技术的方式。最好催化燃烧器直接地和热接触地设置在燃料电池的装置上和以此方式实现加热。本专利技术的燃料电池系统包括燃料电池装置；用于测定说明燃料电池系统中的液体量和/或液体量变化的特性测量值的装置；至少一个冷凝装置，用于至少将阴极端排出的气体冷凝成液体；调整装置，用于根据测定的特性测量值调节冷凝装置的冷却效率和/或调节阴极端的体积流量；用于将冷凝出的液体输送给燃料电池系统的阳极回路的装置。在对相应的方法说明中已经对本专利技术的系统的优点进行了阐述，故在此不再赘述。根据一特别优选的进一步设计，系统包括用于对燃料电池装置中产生的气体进行加热的换热装置。附加或另外也可以在燃料电池装置上或在燃料电池装置内设置催化燃烧器，和利用此方式被燃料电池装置加热。首先在设置在燃料电池装置内时可以采用对流的方法通过阳极和/或阴极流体对流经催化燃烧器的气体进行加热。在对相应的方法说明中已经对该优选的进一步设计的优点进行了阐述，为避免重复请参见有关部分。附图说明下面将对照附图并结合优选实施方式对本专利技术的其它特定和优点加以说明。本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种对燃料电池系统（２００）的流体平衡进行控制的方法，包括：测定说明燃料电池系统（２００）中的液体量和／或液体量变化的特性测量值，根据测定的特性测量值调节冷凝装置（１５０）的冷却效率和／或调节阴极端的体积流量，在冷凝 装置（１５０）中对阴极端排出的气体进行冷却，以便冷凝成液体，将冷凝出的液体输送给燃料电池系统（２００）的阳极回路。

【技术特征摘要】
EP 2002-7-1 02014557.91.一种对燃料电池系统(200)的流体平衡进行控制的方法，包括：测定说明燃料电池系统(200)中的液体量和/或液体量变化的特性测量值，根据测定的特性测量值调节冷凝装置(150)的冷却效率和/或调节阴极端的体积流量，在冷凝装置(150)中对阴极端排出的气体进行冷却，以便冷凝成液体，将冷凝出的液体输送给燃料电池系统(200)的阳极回路。2.一种对燃料电池系统(300、400)的流体平衡进行控制的方法，包括：测定说明燃料电池系统(300、400)中的液体量和/或液体量变化的特性测量值，根据测定的特性测量值调节冷凝装置(120、150；450)的冷却效率和/或调节阴极端的体积流量，在至少一个冷凝装置(120、150、450)中对阴极端和阳极端排出的气体进行冷却，以便冷凝成液体，将冷凝出的液体输送给燃料电池系统(300、400)的阳极回路。3.按照权利要求1或2所述的方法，包括：对冷凝后余剩的燃料电池系统...

【专利技术属性】
技术研发人员：延斯米勒，马尔库斯普赖斯纳，克里斯蒂安伯姆，福尔克尔哈尔布施，
申请(专利权)人：SFC斯马特燃料电池股份公司，
类型：发明
国别省市：DE[德国]