专利名称：燃料电池设备及相关的运行方法
技术领域：
本发明涉及一种燃料电池设备和一种该燃料电池设备的运行方法。本发明可比较有利地应用于直接甲醇燃料电池。
为了在汽车内使用，目前试验所谓的DMFC燃料电池和所谓的PEM燃料电池。直接甲醇燃料电池(DMFC＝DirectMethanolFuelCell)的概念与氢聚合物电解质薄膜(PEM＝ProtonExchangeMembrane或PolymerElectrolyteMembrane)燃料电池的区别主要在于，甲醇燃料直接(亦即没有连接在中间的转化器)在阳极转化。为此，在燃料电池中作为燃料或引入纯甲醇，或引入甲醇/水混合物，它在阳极按反应式转化。
由DE 19625621A1已知一种直接甲醇燃料电池设备，它用气态燃料运行。为此在电池和/或叠堆上游连接一蒸发器。此外，该设备设有一个连接在叠堆下游的冷凝器，产生的二氧化碳在重新引入蒸发器之前在那里与阳极废气分离。这种设备的缺点是，蒸发器所需能量必须由外部供应。
本发明所要解决的技术问题是提高已知燃料电池设备的效率。
按本发明，上述技术问题通过权利要求1的特征来解决。在权利要求11中说明了相关的运行方法。由从属权利要求可知本发明比较有利的设计。
按本发明，燃料电池设备包括至少一个燃料电池叠堆、过程介质供应管道、电导线和连接在上游的蒸发器，其中至少设一根管道，通过这根管道，至少一部分叠堆的热量可在至少另一个器件中利用。在按本发明的用于运行燃料电池设备的方法中，燃料电池叠堆中至少一部分的废热按不同的方式被再利用。
本发明尤其可在直接甲醇燃料电池中实现。在这里，燃料是醇，优选是甲醇，它直接在燃料电池内转化。
在本发明中称为管道的不仅是管子、软管或在设备两个元件之间其他具体的连接装置，而且也可以是任何别的连接装置，也就是说也可以是以热接触为特征的连接装置。作为被加热的“器件(Geraet)”首先是指燃料电池设备的一个部件，如蒸发器、冷凝器、燃料预热装置、过程介质预热装置、气体净化装置和/或压缩机。不过处于设备外部的部件或空间的加热和/或一次废热的任何进一步利用，以及燃料电池叠堆的二次废热，亦即上述部件之一的废热的利用，也均一起包括在本发明内。二次废热的利用例如包括利用蒸发器的废热给居室或乘客舱加热，这取决于燃料电池设备是在移动的或是在固定的区域内使用。上述部件或器件全是热交换器并冷却引入的热气体和/或流体。
在专业术语中简称叠堆的燃料电池堆叠的废热利用，一方面可以通过至少一种废气和/或一种例如由叠堆引入蒸发器中的已加热的冷却剂实现，另一方面可以通过一种热接触、例如将蒸发器组合在叠堆内来实现。
按一种实施形式，蒸发器和叠堆一起装在一外壳中，和/或蒸发器组合在叠堆的端板内。
蒸发器组合在叠堆中例如还意味着，在燃料电池组之间要加热的过程介质被导向其冷却装置。
按本发明方法的一种方案，燃料电池叠堆在温度超过80℃和低于300℃，优选地在100℃与220℃之间，尤其在温度约160℃时运行。相应于此高的运行温度，按本发明的DMFC设备也可以称为高温聚合物电解质薄膜燃料电池(Hochtemperatur-Polymer-Elektrolyt-Membran-Brennstoffzelle，HTM燃料电池)。
优选地，设备按这样的方式运行，即，回收和/或在循环内导引阳极和/或阴极废气中可重新利用的成分，如水和/或甲醇。
因此，按一种实施形式，所述设备包括一个冷凝器，阳极废气被导引通过它。在此过程中包含在阳极废气内的由甲醇和水组成的混合物凝出并与二氧化碳分离。凝出的燃料要么直接引入蒸发器和/或用于构成水/甲醇混合物的混合器内，要么引入一罐内。
按一项实施形式，包含在产物水内的阴极废气通过引入热交换器例如蒸发器和/或冷凝器内冷却，所以此产物水凝出并可与排出的空气分离。产生的水可以输入燃料以构成所需的甲醇/水混合物，和/或存入水罐。
按一种实施形式，分离的水和/或甲醇输入包含在设备中的罐内。在这种情况下比较有利地是在罐内和/或在输入管中含有一分析器，如传感器，它一方面输出罐的液体量及其温度，另一方面输出液体和/或处于液体上方的气体混合物的成分和/或纯度。也可以在设备的其他容器、管道和/或器件内设相应的分析器。
在水罐内为了防冻还可以含有甲醇/水混合物，它保证在温度低于水的冰点时甲醇/水混合物在罐内以液态存在。此外，手工或自动地通过控制器调整水/甲醇为规定的混合比。为此，比较有利地是一个用于确定混合物内甲醇含量的传感器、一个适当的计量装置和一个甲醇罐。例如，在水中有30重量％甲醇的混合物保证冰点约为-25℃。
气体净化例如通过吸附器和/或催化转换器进行，它可与冷凝器组合使用，或可用于分离甲醇、水、惰性气体如二氧化碳和/或不希望的副产品如一氧化碳、醛、羧酸等。在这里，气体混合物通过吸附器/催化转换器导引，它例如由碱石灰、沸石和/或薄膜组成。
按一种优选的实施形式，气体净化装置借助传感器控制，其中，例如在每个气体出口装一传感器，它测量排入环境的气体的温度、成分和/或量并进一步输给控制器。
气体净化装置例如也可以与冷凝器和/或用于预热过程介质的器件组合成一个有催化涂层且其中引入含甲醇的废气的热交换器。在此方案中为了冷起动比较有利地是电加热装置，以保证迅速达到催化涂层的工作温度。此外，来自气体净化装置的废热可例如通过另一个热交换器加以利用。
按一种优选的设计，蒸发器的冷却功率可利用于冷凝废气，所以蒸发器和冷凝器构成一个机组或热交换器。
在冷起动时为了获得更好的起动特性，比较有利的是防止叠堆冻结和/或在至少一部分设备叠堆内保持运行温度。为此，至少部分叠堆隔热与通过部分负载运行保持运行温度相比在某些情况下是优选的。这种隔热例如通过双壁式外壳实现，它在有些情况下可充填蓄潜热的材料。在叠堆的一部分隔热时，其余的部分例如通过这部分的废热加热。在隔热的情况下，低温隔热，尤其是防止对流和/或热传导，优选地是空气间隙隔热或真空隔热。利用蓄潜热的材料是比较有利的。过程介质和/或冷却剂输入管道的至少一个输入口，在叠堆关闭时例如通过可电操纵的阀和/或恒温器控制的阀具有可关闭性也是比较有利的。
为了避免例如在DMFC中所需要的水冻结，DMFC设备其他组件、器件、管道和/或罐可以与叠堆的外壳一样，有利地隔热。术语“组件(Module)”不仅包括叠堆，而且还包括混合器、泵、气体净化装置等。在这里仍有可能是空气间隙或真空隔热优选地与蓄潜热的材料结合。还有可能与温度传感器结合实现在设备静止期的一种主动加热，在这种情况下，可借助一个附加的蓄能器(大功率电池)或通过叠堆的部分运行来进行加热。
按照一种优选的实施形式，为了起动设备提供一起动药筒(Starterpatrone)，在该药筒中准备有适用于在阳极转换的甲醇/水混合物，因而可以完全取消水罐。起动药筒可以是一个永久储罐，它在运行过程中总是重新补充，但该起动药筒也可以是一种一次性容器。起动药筒的容积按照燃料电池叠堆的尺寸选择。在药筒内甲醇/水混合物的成分至少为1∶1，优选地有过量水。因此，在完成设备起动后，产物水在循环内流动，它供应用于水/甲醇混合物在阳极转换所需要的水量。例如在移动使用设备的情况下，通过罐装纯甲醇可实现每单位容积最大含能量。
按方法的一项扩展设计，在冷起动时用液态燃料起动设备，在这种情况下起动时的最低叠堆温度由电解质的冰点给定。
按一种实施形式，为了起动DMFC设备在叠堆内引入氢，因为在很低的温度下用氢起动叠堆比使用甲醇/水混合物更有可能实现。
在这种实施形式中，相应的氢存储器，如钯海绵、压力容器和/或氢化物存储器一起工作。
按一种实施形式，例如在设备运行期间，氢存储器电解地由水和/或水-甲醇罐重新充填。电解借助另外的电解装置实施，和/或叠堆或部分叠堆被利用进行电解。
在此实施形式中，电解所需要的能量由设备的部分叠堆直接提供，和/或由蓄能器如电池或电容器提供。
在设备成功起动后尚未消耗掉的氢可利用于加热器件如蒸发器，或简单地引入气体净化装置中。
为了造成较大的温度梯度，在冷起动时冷却剂可按直流导引。在这里按直流的含义是指，冷却剂与一种或多种过程介质一起按直流导引。随冷起动之后，通过转换为逆流，在叠堆内获得一种尽可能均匀的温度剖面。
按一种实施形式，为避免电池污染或由于杂质进入过程介质和/或冷却剂输入管道(例如供气装置)和/或用其他方式损坏电池，在电池上游设置一过滤器。该过滤器的类型优选地与管道的类型相匹配，所以在过程介质输入管道上游由于在反应室内分配通道狭窄因而连接一精滤，以及在冷却剂输入管道上游连接一粗滤。过程介质的过滤也可以在压力损失最低的情况下通过组合一个连接在上游的粗滤与连接在下游的一个静电滤实施。
空气既可用作氧化剂又可用作冷却剂。
按一种实施形式，设备中包含一控制器，其中储存信息和当前测量值，例如分析器的结果、叠堆内的运行温度和/或温度分布、瞬时电流电压曲线的变化过程、工作压力、容积流量和/或在不同地点存在的甲醇浓度。然后，控制器将输入的实际值与给定的和/或计算出的额定值加以比较，并借助调整装置，如计量阀、泵、分离器、压缩机、加热装置、冷却装置、鼓风机、调压阀等，自动和/或手动控制设备，使实际值与额定值达到一致。此控制器在总体上用于优化效率和/或用于与设备(例如通过油门操纵踏板)所提供的功率最佳匹配。通过此控制器尤其可以实现取决于叠堆电压的功率调节(设备在负荷最佳利用的情况下运行)、例如与起动药筒一起使水罐的共同工作成为多余的水管理、以及设备的最优能量利用。
设备的控制和结构设计这样进行，即加热和冷却各部件，一方面如蒸发器、预热器、压缩机和/或预热机组，它们全都需要加热，而另一方面叠堆、冷凝器、可能存在的冷却系统和/或水分离器它们被冷却，最终达到最佳地利用能量。
下面借助两个用方框图表示的优选实施例进一步说明本发明。
图1和2分别表示直接甲醇燃料电池设备的方框图。两个方框图中的附图标记对于相同的部件是一致的，管道按这样的方式赋名，即将上游部件的符号置于下游部件的符号前(例如管道1311是流体从部件13流向部件11的管道)。
图1可见叠堆1，它一方面通过过程介质输入管道21和另一方面通过过程介质输出管道12与蒸发器2连接。为了看得清楚起见，在这里只表示了直接甲醇燃料电池设备的一个叠堆，尽管在有些情况下设备有多个叠堆，尤其是具有用于舰船供电的低压机组是比较有利的。
过程介质输入管道31从压缩机3通往叠堆1。在借助控制器6根据负荷调整的压缩机3上游连接一热交换器或冷凝器4，后者本身通过过程介质输出管道14与叠堆1连接，使来自叠堆1阳极腔的废热能利用来预热氧化剂空气，因为消耗的燃料通过管道14以温度约160℃引入热交换器4。在热交换器4内，水和/或未消耗的甲醇通过冷凝与二氧化碳和其他气态杂质分离。在热交换器4内获得的液相通过管道45供入混合器5。也可以(通过一根没有表示的管道48)直接供入甲醇罐8，在这种情况下在管道48中设有用于分析成分的传感器是有利的。管道45有一传感器46，它向控制器6提供有关在管道45内流动的混合物的量、压力、温度和/或成分的信息。为了视图清晰起见没有表示按实施形式存在的其他传感器，它们装在管道12和/或14中，以及向控制器提供有关在管道内导引的混合物的量、压力、温度和/或成分的信息。阳极废气分离的气相经管道411引入气体净化装置11内，在那里在它作为含二氧化碳的废气离开设备前，它释出不希望的排放物。
混合器5通过管道85和95与两个燃料罐即甲醇罐8和水罐9连接。管道85和95各有一计量阀，它通过控制器6调整。因此只是通过控制器6根据负荷调整后的甲醇量和/或水量通过管道85和95进入混合器5。燃料混合物借助泵7从混合器进入蒸发器2，并从那里进入燃料电池叠堆1的阳极气体室。
在蒸发器2内通过管道12引入阴极废气，所以类似于阳极废气通过管道14的线路，消耗的氧化剂的废热被利用来蒸发未消耗的燃料。按照本发明方法的一种实施形式，蒸发温度低于叠堆废气的温度。蒸发温度通过对甲醇/水混合物的化学计量来调整并例如低于100℃。在蒸发器2内由阴极废气凝出产物水，它在水分离器10内与气相分离。如此获得的气相在它作为废气通过管道110排入环境前，通过气体净化装置11与不希望的排放物分离。液相从水分离器10通过有一传感器106的管道109供入水罐9。传感器106与控制器6连接并向它提供来自水分离器10的液相的量、压力、温度和/或成分。
蒸发器2除通过管道72外还通过管道122被供入。管道122将蒸发器2与预热装置12连接起来，在冷起动阶段，通过一个受控制器6调整的计量阀流入预热装置12的甲醇在那里被预热和/或过滤。
在控制器6内例如引入下列信息-通过传感器46给出从阳极废气回收的液相的量、压力、温度和/或成分。
-通过传感器106给出从阴极废气获得的液相的量、压力、温度和/或成分。
-通过装在罐内的一个传感器或安装在那里的其他分析器给出在水罐内的水和/或在甲醇罐内的甲醇的量、压力、温度和/或成分。
-叠堆所要求的瞬时负荷。
-一个或多个叠堆的电池电压、温度分布、压力等。
然后，控制器借助可供采用的算法或通过手动给定确定额定值，并控制与之连接的调整装置，如泵7、压缩机3、管道85、95和812(亦即从甲醇罐8到预热装置12的管道)中的计量阀、蒸发器2、叠堆1、预热装置12和气体净化装置11。
由图2可见另一个DMFC设备的方框图。与图1中所示设备的主要差别在于，不仅叠堆1中的阴极废气而且其阳极废气均引入蒸发器2(管道12a和12b)，在蒸发器2内，氧化剂，优选地空气，在进入压缩机3之前被加热以及燃料混合物在进入叠堆1之前被蒸发。在蒸发器2内被冷却的阳极废气通过管道213引入水分离器13中，在液相通过管道135引入混合器5以及气相通过管道1311引入气体净化装置11前，在水分离器13中仍含有的水和/或甲醇分离。在气体净化装置11中气相释放出不希望的排放物。为了看得清楚起见，燃料管道用短虚线表示，氧化剂管道用长虚线表示。
在图示的两种实施形式中，为了能一目了然，取走了在利用叠堆废热时冷却循环的连接关系。冷却循环如果存在的话，优选地也通过蒸发器或用于预热过程介质的器件导引。
作为“燃料电池设备”指的是一个系统，它包括至少一个具有至少一个燃料电池单元的叠堆、相应的过程介质输入和输出通道、电导线和端板，必要时包括一个有冷却剂的冷却系统以及整个燃料电池叠堆外围设备(转化器、压缩机、预热装置、鼓风机、用于过程介质预热的加热装置等)。
作为叠堆指的是一个有至少一个燃料电池单元和相关管道以及，如果存在的话，有至少一部分冷却系统的堆叠。
在冷却系统中可含有一种不导电的防冻剂。其他机组或通过隔热方法(S.O)和/或借助局部加热装置保持在高于冰点的温度上，冰点根据所涉及的机组可以是不同的(若例如涉及水的管道，则冰点与在水/甲醇混合物管道中的冰点不同)。
本发明公开了一种DMFC设备，它在高运行温度的情况下(HTM燃料电池)，通过利用叠堆的废热，实现能量方面以及动力燃料方面的效率的优化。
权利要求
1.一种燃料电池设备，它包括至少一个燃料电池叠堆、过程介质供应管道、电导线和连接在上游的蒸发器，其中至少设一根管道，通过这根管道，至少一部分燃料电池叠堆的热量可在至少另一个器件中被利用。
2.按照权利要求1所述的燃料电池设备，其中，蒸发器组合在燃料电池叠堆内和/或与燃料电池叠堆一起装在一外壳中。
3.按照上述任一项权利要求所述的燃料电池设备，它包括一个热交换器，至少阳极废气和/或阴极废气通过它导引。
4.按照上述任一项权利要求所述的燃料电池设备，其中，蒸发器和冷凝器都是一个器件。
5.按照上述任一项权利要求所述的燃料电池设备，其中，设置一个气体净化装置。
6.按照上述任一项权利要求所述的燃料电池设备，其中，至少一个组件的一部分、一个贮罐和/或一根管道有一个隔热装置和/或一个局部加热元件。
7.按照上述任一项权利要求所述的燃料电池设备，其中，至少可封闭过程介质输入管道和/或冷却剂输入管道的一个输入口。
8.按照上述任一项权利要求所述的燃料电池设备，其中，在燃料电池叠堆的上游连接一过滤器。
9.按照上述任一项权利要求所述的燃料电池设备，其中，在设备中设一个控制器和至少一台分析器，其中输入有关当前测量值的信息，通过将测量值与预定的和/或计算出的额定值作比较，所述控制器按这样的方式控制设备的调整装置，即，使测得的实际值与额定值一致。
10.一种燃料电池设备，其中，为了起动设备设置一起动药筒，其中准备有适用于在阳极转换的甲醇/水混合物。
11.一种燃料电池设备，它具有一氢存储器。
12.一种运行燃料电池设备的方法，其中，利用至少一部分燃料电池叠堆的废热。
13.按照权利要求12所述的方法，其中，在燃料电池设备的一个要加热的器件内利用此废热。
14.按照权利要求12或12所述的方法，其中，回收和/或在循环内导引燃料电池叠堆废气中可再利用的组分。
15.按照权利要求12至14之一所述的方法，其中，通过将直接甲醇燃料电池的废气引入热交换器，如蒸发器、用于预热过程介质的器件和/或冷凝器中，来回收水和/或甲醇。
16.按照权利要求12至15之一所述的方法，其中，设备的废气通过气体净化装置来导引。
17.按照权利要求12至16之一所述的方法，其中，燃料电池叠堆在80℃与300℃之间的工作温度下运行。
18.按照权利要求12至17之一所述的方法，其中，设备的至少一个组件的一部分、一个贮罐和/或一根管道被隔热和/或在设备的静止期被加热。
19.一种用于运行直接甲醇燃料电池设备的方法，其中，蒸发器的工作温度低于燃料电池叠堆废气的温度。
20.按照权利要求12至19之一所述的方法，其中，在冷起动过程中，氢作为燃料引入燃料电池叠堆。
21.按照权利要求20所述的方法，其中，在冷起动过程中再利用来自燃料电池叠堆废气的氢和/或将其引入气体净化装置中。
22.按照权利要求12至21之一所述的方法，其中，在设备的冷起动过程中，冷却剂按直流被导引。
23.按照权利要求22所述的方法，其中，在完成冷起动后，通过将冷却剂转换为逆流保持尽可能均匀的温度剖面。
24.按照权利要求12至23之一所述的方法，其中，过程介质和/或冷却剂在引入燃料电池叠堆前过滤。
25.按照权利要求12至24之一所述的方法，其中，使用一个控制器，为了优化设备的效率，它接收设备的至少一个分析器测量的实际值，它通过将实际值与预定的或计算出的额定值作比较，控制至少一个与之连接的调整装置，以将实际值调节成与额定值一致。
26.按照权利要求15所述的方法，其中，一个氢存储器通过电解水和/或水-甲醇混合物被重新充填。
27.按照上述任一项权利要求所述的方法，其中，利用二次废热。
28.按照上述任一项权利要求所述的方法，其中，在冷起动过程中燃料液态地和/或从一个起动药筒输入燃料电池叠堆中。
全文摘要
本发明涉及一种燃料电池设备及其运行方法。此设备在80℃与300℃之间的温度下运行并保证效率的优化，因为燃料电池叠堆的废热至少按其他方式被再利用。
文档编号H01M8/04GK1421052SQ00816144
公开日2003年5月28日 申请日期2000年9月18日 优先权日1999年9月23日
发明者曼弗雷德·鲍尔多夫, 乔基姆·格罗斯, 冈特·勒夫特, 库尔特·潘特尔, 沃尔特·普赖德尔, 曼弗雷德·韦达斯, 乌尔里克·格布哈特, 罗尔夫·布鲁克, 乔尔格－罗曼·科尼茨尼, 米克·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