[发明专利]燃料电池装置

说明书

本发明涉及根据权利要求1的前序部分所述的一种燃料电池装置。

背景技术

燃料电池，特别是具有能传导质子的作为聚合物箔阳极和阴极之间 的隔膜的这种燃料电池(PEM-燃料电池)，在阳极侧利用一种可燃气体， 如气态的氢或含氢的气体混合物，如重整气体进行工作的。

为了改善这种燃料电池的效率，已知的做法是：将在输出侧离开燃 料电池的阳极侧的剩余气体，通过所谓的再循环措施或再循环线路，再 在阳极输入侧再输送给燃料电池。但由于燃料电池在工作中只消耗纯的 燃料，通常是氢，所以燃料流的这种再循环就会引起燃料电池的阳极区 域中纯燃料的浓度在工作的过程中降低。

这是由于剩余气体在上述循环回路中的积聚所决定的，这些剩余气 体要么是来自于气体燃料的供给，要么是通过从燃料电池的阴极侧，即 从其被供以空气的一侧的扩散而达到阳极侧。这里，剩余气体主要是氮 气和水蒸汽。由于剩余气体的逆向流动、剩余气体含量的增高和燃料电 池中纯燃料成分的减少，燃料电池的电压也下降。在气体燃料消耗量很 高的情况下，对质子交换隔膜(PEM-膜)的气体输送的动力也逐渐减小。

因此为了避免在燃料电池的阳极区域内剩余气体高度积聚，已知的 做法是：要么是将从燃料电池的阳极区域出来的气体持续地通过一个节 流阀排放到周围环境中，要么按另一种实施方式依有规律的时间间隔通 过相应地控制的阀将之排放。这种阀例如以“排出阀”的名称而公知。

发明的内容

因此本发明的目的在于，改进开头部分所述类型的燃料电池装置。

上述目的是通过权利要求1的特征得以实现。在从属权利中说明了 本发明的一些有利的和适用的改进。

相应地，本发明涉及一种燃料电池装置，它具有燃料电池和由控制 单元控制的执行元件，该执行元件用于将剩余气体从燃料电池的工作燃 料流中排出。依本发明，该燃料电池装置的特征在于：控制单元包括一 种考虑工作燃料流中的工作燃料浓度的控制装置和/或调节装置。

该做法基于以下认识：在迄今常用的用于排出剩余气体的方法中， 持续地通过节流闸或者通过以有规律的时间间隔打开阀，不仅将燃料电 池的工作燃料流或燃料流中所不希望的剩余气体部分在阳极侧排出，而 且还不得不从阳极排出尚未转化的燃料。剩余气体的浓度越低，则燃料 的浓度就越高，这种燃料优选是氢气，从而由于这种未加以利用的燃料 被排出而造成的损失亦越大。这种认知适用于两个迄今已知的用于排出 剩余气体的方法。

在此基础上，本发明提出：只有当工作燃料或燃料的浓度低于某个 预定值时，或者当剩余气体中的其它物质的某种不希望的浓度超过一个 不允许的值时，才通过执行元件从工作燃料流中排出剩余气体。由此， 由不必要地从工作燃料流中排出或排掉剩余气体，引起的燃料损失以提 高燃料电池的效率的方式被避免。

为了求得燃料流中燃料的分压或浓度，例如可以按第一个实施方式 设置工作燃料浓度或燃料浓度传感器，该传感器将相应的信号传递给操 纵执行元件的控制单元。特别有利的，可为此使用燃料传感器，该传感 器具有特别对高燃料浓度的大的灵敏度，即，在该使用范围内它能提供 良好的高分辨率的且准确的信号。对于用氢气工作的燃料电池来说，该 传感器是一个相应地敏感的氢传感器。

除了采用对工作燃料流中的燃料浓度进行监控，以达到触发执行元 件来排出剩余气体的目的之外，还提出第二个解决方案，该方案可单独 予以实施，亦可与第一个方案一起实施。于此，燃料流中氮的浓度是由 与控制单元相连的氮浓度传感器加以监视的。在超过氮的某个浓度值 时，控制单元如前所述地将剩余气体从工作燃料流中排出。

根据下一个实施方式，同样可以单独地，或者也可以结合上述的一 个或两个方案地，对燃料流中的水蒸汽的浓度进行监视；且在超过一定 的最大值时，执行元件便被控制单元触发而将剩余气体排出。

除了这种直接的浓度值监视之外，本发明还提出一种间接的监视可 行方案，依此，设置了一个用于所输送的工作燃料量的检测机构。为此， 例如引入工作燃料再循环装置的重要的消耗功率参数。这里特别合适的 有电流检测机构、电压检测机构和/或功率检测机构，例如相应的变换器， 其信号被采集并可为采取相应措施而被分析处理。