专利名称：运行汽车用燃料电池装置的方法及相应的燃料电池装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及运行可用于汽车的燃料电池装置的方法，该燃料电池装置引入燃料和空气。此外，本发明还涉及相应的用于汽车的燃料电池装置，该装置具有至少一个燃料电池模块，其中，为燃料电池模块提供燃料和空气。
背景技术：
有许多种用于为汽车电机驱动提供能量的燃料电池装置是公知的。这些不同的燃料电池装置的共同之处是，将氢和氧进行化学反应生成水。
例如利用能够导通质子隔板工作的PEM燃料电池(Polymer ElektrolyteMembrane聚合物电解隔板，Proton Exchange Membrane质子交换隔板)，利用作为燃料的汽油、甲醇或其它高碳氢化合物(从中借助于重整装置获得作为燃气的氢)，以及来自周围空气的氧气工作。特别是在高温下运行的HT-PEM燃料电池，尤其对燃气的污染不敏感。作为氧化剂的氧气从周围空气中获得，其中，原则上是从普通的周围空气获得，例如可以从行驶中的车辆的行驶气流得到。
尽管HT-PEM燃料电池尤其对污染不敏感，但是必须保证工作气体的一定标准。例如在市区内要在一直变化着的且不同的负载条件下行驶的汽车中，必须排除由环境空气的污染引起的燃料电池装置中的干扰。
发明内容
因此，本发明的目的在于，提供在各种环境情形下保证汽车燃料电池装置的工作性能的措施，以及实现一种相关的燃料电池装置。
按照本发明的方法是通过权利要求1给出的措施解决的。一种相关的燃料电池装置是权利要求6的内容。所述方法和相关装置的扩展是各从属权利要求的内容。
按照本发明的方法，将空气在投入燃料电池使用之前进行净化。优选地，这种净化在自主换气的电池中进行，即在从行驶气流的空气中为燃料电池提取氧化剂时进行。优选地提供一种多级空气净化。尤其是一种两级空气净化，一方面进行颗粒净化，另一方面进行有害物质净化。
在相关的燃料电池装置中，在燃料电池模块前面连接一个单元，该单元优选地一方面具有用于对有害物质进行表面吸收的吸收器和/或用于对有害物质进行化学无害化处理的催化剂涂层，另一方面具有用于物理过滤颗粒的过滤器。例如，起催化剂作用的涂层可以简单地涂敷在一体化热交换器的表面。
本发明中过滤器的构成具有特殊的功能。它可以设计成为多功能过滤器概念下的n级过滤器。
本发明的其它细节和优点借助于对实施方式的附图描述给出。附图中图1示出了一个具有内置燃料电池装置的汽车，和图2示出了一个由燃料电池模块和在图1中用于空气净化的单元组成的系统。
具体实施例方式
在图1中用1表示一辆汽车(KFZ)，其在图中仅示意性示出的电机驱动3由一个燃料电池装置供电，该燃料电池装置连同其系统组件在原理上是公知的。该燃料电池装置主要由一个燃料电池模块10和所属的附件组成。燃料电池模块10至少必须这样定位在KFZ1的底盘上，使得可以以合适的方式为它提供空气。例如，燃料电池模块10设置在KFZ1的底板2的下面或在由中间底板2′构成的自由空间中。此外，还示意性地示出了一个排气口8，由该排气口可以在应用包含氢气和其它成分的气体情况下，将燃料电池模块10运行中由纯氢气和氧气形成的反应水最后排放出。
在安装在KFZ1中的燃料电池装置中，燃料电池模块10在最大程度上由行驶气流提供能量，即该燃料电池模块是自主换气的。但是，对于低的汽车车速和/或高的负载通常有一个辅助风扇。由此提供作为燃料电池反应所必须的氧化剂的氧。
用于汽车中移动应用的燃料电池装置根据具有隔板电解质的隔板燃料电池的原理工作。通过机械装置的适当应用，即通过偏转板和/或喷嘴装置，可以使行驶气流的利用能保证燃料电池模块10的优化应用。这里，燃料电池模块10应该构成为平坦的且在其高度上应加以限制。特别是还要求，汽车的如cw值等的空气动力学特性基本上不受影响。
对于所述燃料电池装置应用了一种用固定电解质工作并被称为聚合物电解隔板(PEMPolymer Elektrolyte Membrane)燃料电池的燃料电池。这种燃料电池在现有技术中是公知，其中，对于移动应用优选地在比迄今为止在专业文献中描述的更高的温度下运行。这就实现了一种所谓HT(高温)-PEM燃料电池。对于这种HT-PEM燃料电池采用介于80℃至300℃之间，但尤其是120℃至200℃范围的工作温度。
尤其是具有HT-PEM燃料电池的燃料电池模块10可以构成为平坦的。具体地为将多个PEM燃料电池堆放，所以在这种情况下被称为平坦堆栈。这种平坦堆栈优选地放置在汽车底板下，或者如果不是轿车也可放置在汽车的顶上或汽车底盘的其它适当位置上。由此保证行驶气流以适当的方式进入燃料电池。
在图2中使用了一个燃料电池模块10，如上所述，该模块由通过堆成平坦堆栈(简称堆栈)的单个HT-PEM燃料电池构成。对于这种堆栈，作为燃料是由液态燃料，例如汽油或甲醇通过重整产生的氢气或饱含氢气的气体，以及此外将周围空气作为氧化剂引入。尽管HT-PEM燃料电池对于燃气的污染相对来讲不敏感，特别是可容忍直至10000ppm的CO杂质，但是对于氧化剂的情形则存在问题。为了在任何环境下、尤其是在具有暂时的CO或者CO2负担的城市交通中没有干扰地运行燃料电池驱动的汽车，在燃料电池模块10前预接一个具有空气净化特殊装置的空气准备单元50。
该空气净化装置可以按照化学的和/或物理的原理工作，并且可以以各种组合包含在空气准备装置50的完整单元里，参照图2具体描述如下。
用于准备空气的单元50包括一个热交换器30、一个吸收器和/或一个催化剂涂层42。合适的吸收器是公知的，例如可以采用沸石(Zeolithe)。作为催化剂涂层可以使用贵金属，例如铂或其它贵金属。这种催化剂贵金属涂层已经在实践中结合热交换器被使用。吸收器41和催化剂涂层42可以构成一个共同的空气净化单元40。
在图2中为了化学净化空气在单元40前预接一个由过滤器45和45′组成的两级过滤器。在过滤器45中将超过一定大小的颗粒从吹入的空气中去除，而在过滤器45′中滤除所超过大小的更小的颗粒。可以实现一个作为多功能过滤器的n级过滤器。其例如同样包括吸收器41和/或催化剂涂层42。如果一方面进行颗粒净化、另一方面进行有害物质净化，则这样构成是有优点的。在净化空气的单元中还可以集成热交换器30，该热交换器将空气温度调节到适于燃料电池模块10运行的值。
已经表明，利用按照图2的装置可以从反应气体中去除迄今为止环境空气的造成干扰的污染，这种污染可能影响以空气作为氧化剂工作的燃料电池装置的运行。由此，可以最大程度地排除由于污染造成的对燃料电池反应的干扰。在这种情况下，应用具有PEM燃料电池和特别是HT-PEM燃料电池的燃料电池装置时可以不用多虑地引入环境空气来提供氧化剂。
权利要求
1.一种运行可在汽车中使用的燃料电池装置的方法，该燃料电池装置具有至少一个自主换气的燃料电池模块，其中，为该至少一个自主换气燃料电池模块引入燃料和空气，其特征在于，所述空气在用于燃料电池模块之前被净化。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，进行多级空气净化。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，实施两级空气净化，一方面进行空气的颗粒净化，另一方面进行空气的有害物质净化。
4.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，使用PEM燃料电池，特别是HT-PEM燃料电池。
5.一种用于汽车的燃料电池装置，用于实施按照权利要求1或者权利要求2至4中任一项所述的方法，该燃料电池装置具有至少一个燃料电池模块，其中，为该燃料电池模块提供燃料和空气，其特征在于，为了在任何环境中运行汽车(1)，在所述燃料电池模块(10)前预接一个空气准备单元(50)。
6.根据权利要求5所述的燃料电池装置，其特征在于，所述空气准备单元(50)包括用于化学净化空气的装置(40)、吸收器(41)和/或催化剂涂层(42)。
7.根据权利要求6所述的燃料电池装置，其特征在于，作为所述吸收器(41)使用沸石。
8.根据权利要求6所述的燃料电池装置，其特征在于，所述催化剂涂层(42)是一化学元素周期系统中的铂族贵金属。
9.根据权利要求5所述的燃料电池装置，其特征在于，在所述燃料电池模块(10)之前连接有至少一个过滤器(45，45′)。
10.根据权利要求9所述的燃料电池装置，其特征在于，所述过滤器(45，45′)是一个n级过滤器。
11.根据权利要求9所述的燃料电池装置，其特征在于，所述过滤器(45，45′)是一个多功能过滤器
12.根据权利要求5所述的燃料电池装置，其特征在于，其具有一个热交换器(30)。
13.根据权利要求12所述的燃料电池装置，其特征在于，所述热交换器(30)包括化学净化空气的装置(40)。
14.根据权利要求5所述的燃料电池装置，其特征在于，所述燃料电池模块(10)包含PEM燃料电池。
15.根据权利要求5所述的燃料电池装置，其特征在于，所述燃料电池模块(10)包含HT-PEM燃料电池。
16.根据权利要求5至14中任一项所述的燃料电池装置，其特征在于，所述燃料电池模块(10)这样安装在汽车(1)的底盘(2)上，使得所述汽车(1)的cw值和其它特征值不受影响。
全文摘要
本发明涉及一种运行汽车用燃料电池装置的方法及相应的燃料电池装置燃料。电池装置通常一方面引入燃料，另一方面引入提供燃料电池运行所需的作为氧化剂的氧气。为了避免对在不同环境下汽车运行中燃料电池模块(10)的损害(有时会造成高有害物质负担)，在空气进入燃料电池前要将其净化。为此，为燃料电池模块(10)配置了空气净化单元(50)。
文档编号H01M8/06GK1484873SQ01821644
公开日2004年3月24日 申请日期2001年12月21日 优先权日2000年12月29日
发明者罗尔夫·布鲁克, 乔基姆·格罗斯, 曼弗雷德·波平格, 米克·赖齐格, 格罗斯, 德 波平格, 罗尔夫 布鲁克, 赖齐格 申请人:西门子公司, 伊密泰克放射技术有限责任公司