專利名稱：具有催化加熱器的燃料電池的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種按權(quán)利要求1前序部分所述的燃料電池。
背景技術(shù)：
為了調(diào)節(jié)燃料電池的運行溫度已知的是，燃料電池借助于冷卻循環(huán)進行冷卻。為此DE 100 85 325 T1描述了一種填充直接防凍劑的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)。其中不僅對于移動的而且對于固定的燃料發(fā)電系統(tǒng)提出了一種冷卻系統(tǒng)，該冷卻系統(tǒng)即使在非常低(北極)的環(huán)境溫度下也應(yīng)工作。為此冷卻液摻有直接防凍溶液。
但是因為燃料電池對化學污染的工作水敏感地起反應(yīng)(中毒問題)，在所提出的冷卻系統(tǒng)中設(shè)有焓交換閉鎖器，以便防止防凍溶液解吸到與冷卻循環(huán)導(dǎo)通液體地連接的燃料電池系統(tǒng)水循環(huán)中。但是為了滿足這種要求，需要非常高的技術(shù)和經(jīng)濟耗費。也始終存在因焓交換閉鎖器失靈而損害燃料電池的危險。
另外設(shè)有一種催化的燃燒器，它還將燃料電池廢氣中的未燃燒的燃料燃燒掉并且將由此產(chǎn)生的廢熱傳輸?shù)饺剂想姵叵到y(tǒng)水循環(huán)中。這種催化的燃燒器加熱和蒸發(fā)相應(yīng)鍋爐中的系統(tǒng)水以調(diào)節(jié)燃料電池內(nèi)的濕度平衡。為了排出因系統(tǒng)水連續(xù)加熱而輸入的過量的熱量，設(shè)有一些具有換熱器、冷卻器、泵和相應(yīng)管路的輔助冷卻裝置。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是，改進一種這樣的燃料電池系統(tǒng)。
這個目的從按權(quán)利要求1前序部分的燃料電池出發(fā)通過權(quán)利要求1的特征部分的特征解決。
通過在從屬權(quán)利要求中列舉的措施可以得到本發(fā)明的優(yōu)選的實施方式和改進方案。
因此按本發(fā)明的燃料電池或按本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)的特征在于，催化燃燒器可以接通到冷卻劑循環(huán)和/或與冷卻劑循環(huán)切斷。其優(yōu)點在于，只有必要時才將由催化燃燒器通過燃燒尚存在于廢氣中的燃料產(chǎn)生的熱量用于加熱燃料電池。尤其在燃料電池的啟動運行時是這種情況，在這種情況下也在廢氣中出現(xiàn)最大份額的未燃燒的燃料。
因此按本發(fā)明可以對于燃料電池的運行，由短時間過量輸入氫而引起的熱量也有利地用于降低在陽極側(cè)出現(xiàn)的氮濃度。
上述步驟基于的認識在于，通過有針對性的將由催化燃燒器產(chǎn)生的熱量接通和/或接入到冷卻劑循環(huán)中，可以將燃料電池迅速加熱到其運行溫度，而冷卻循環(huán)并且從而燃料電池不會在燃料電池的整個工作時間上受到持續(xù)熱量輸入的負荷。
在此業(yè)已證實尤其有利的是，在接通和/或切斷催化燃燒器時的熱量接入可以根據(jù)本來就設(shè)置于冷卻循環(huán)中的冷卻劑泵進行，因此可以節(jié)約對于其它泵的附加成本和空間。
為了控制催化燃燒器相對于冷卻劑循環(huán)的開關(guān)狀態(tài)，另外設(shè)有一個控制單元。該控制單元優(yōu)選是一個閥單元。尤其通過使用兩個例如2/2旁通閥或一個3/2旁通閥可以非常廉價地實現(xiàn)控制單元。
在此優(yōu)選將旁通閥在非操作狀態(tài)下關(guān)閉。例如將一個電動旁通閥無電流地關(guān)閉，以便將催化燃燒器從冷卻劑循環(huán)上切斷。該開關(guān)裝置的優(yōu)點在于，在旁通閥可能發(fā)生故障時不會有未預(yù)見的熱量輸入到冷卻循環(huán)中。
除了采用兩個2/2旁通閥或一個3/2旁通閥的實施方式之外，閥單元也可以在一種相對變化的實施方式中包括一個比例閥。
原則上也可以考慮使用一種調(diào)整閥瓣作為控制單元。重要的僅僅是，控制單元允許催化燃燒器相對于冷卻劑循環(huán)接通和/或切斷。
在下一種實施方式中可以設(shè)有一個附加的熱轉(zhuǎn)移裝置，它可以接通至冷卻劑循環(huán)和/或與冷卻劑循環(huán)切斷。一種這樣的熱轉(zhuǎn)移裝置例如可以是加熱器或空調(diào)設(shè)備。特別在移動的燃料電池系統(tǒng)中可以是車輛的加熱器和/或空調(diào)設(shè)備。
即使在固定的燃料電池系統(tǒng)中也可以設(shè)有一種這樣的熱轉(zhuǎn)移裝置作為加熱器，例如用于工業(yè)用水等。因此有利的是在燃料電池運行期間出現(xiàn)的、尚未完全燃燒的燃料也可以為了改善燃料電池的效率而輸入到系統(tǒng)中。


本發(fā)明的實施例在附圖中示出，并且下面借助于附圖詳細解釋。其中圖1具有可接通至冷卻劑循環(huán)和/或可與冷卻劑循環(huán)切斷的催化燃燒器的燃料電池的冷卻循環(huán)；圖2相應(yīng)變化的具有附加設(shè)置的熱轉(zhuǎn)移裝置的實施例。
具體實施例方式
圖1示出了一個燃料電池系統(tǒng)1，包括一個燃料電池2，其具有一個用于經(jīng)由其換熱器7冷卻燃料電池2的冷卻劑循環(huán)3。冷卻劑循環(huán)3包括一個短接回路5和一個冷卻支路8，其相應(yīng)的冷卻劑供給通過冷卻劑泵6和通過相應(yīng)的優(yōu)選按3/2比例閥形式的控制單元12的致動進行。在激活冷卻支路8的情況下，冷卻器9可以借助于風機10施加氣流11以更好的冷卻。
各單元的監(jiān)控和控制可以借助于監(jiān)控裝置13進行，其中，在圖1中的各連接僅示意地用虛線示例表示。
現(xiàn)在本發(fā)明的特征在于，催化燃燒器15與冷卻劑循環(huán)3連接，使得燃燒器可接通至冷卻劑循環(huán)和/或與冷卻劑循環(huán)切斷。因此僅在啟動階段有必要將熱量供給到燃料電池的時候才可以有針對性的熱量輸入。按本發(fā)明可以避免，在燃料電池已經(jīng)達到其運行溫度或甚至超過其運行溫度的時候因催化燃燒器熱量輸入而引起的不必要的熱負荷。
特別有利的是，通過冷卻劑的循環(huán)的熱量輸入是通過催化燃燒器15在其接通至冷卻劑循環(huán)3的狀態(tài)期間由本來就存在于冷卻劑循環(huán)3中的冷卻劑泵6進行的，更確切地說沒有對于其它液體輸送裝置的費用和空間的附加需求。
為了控制催化燃燒器15相對于冷卻劑循環(huán)3的開關(guān)狀態(tài)，設(shè)有一個控制單元16。該控制單元16優(yōu)選是閥單元16。兩個2/2旁通閥或一個3/2旁通閥業(yè)已證實特別適用于構(gòu)成閥單元16。根據(jù)實施方式也可以在催化燃燒器15接通至冷卻劑循環(huán)3的情況下，完全關(guān)閉通過管路4的冷卻劑流，或者選擇地也以平行運行即旁通運行方式運行。轉(zhuǎn)換的類型可以根據(jù)系統(tǒng)的要求選出。
在完全切斷管路4并且同時接通穿過催化燃燒器至冷卻劑循環(huán)3的管路19的情況下，從催化燃燒器到到冷卻介質(zhì)中的熱量傳遞完全實現(xiàn)。在管路4與穿過催化燃燒器15的管路19平行運行時，已經(jīng)實現(xiàn)輸入到冷卻劑循環(huán)3中的熱量的減少，這例如在接近燃料電池的最優(yōu)運行溫度時具有優(yōu)點，可以避免向燃料電池上熱量輸入的沖擊式變化。
這種必要時甚至無級的熱量輸入的影響例如也可以通過使用比例閥或調(diào)整閥瓣作為控制單元16。決定性的僅僅是，在燃料電池2在最優(yōu)運行溫度范圍或超過最優(yōu)運行溫度范圍運行時，可以阻止通過催化燃燒器15產(chǎn)生的熱量，以避免冷卻系統(tǒng)的不必要的熱負荷。
圖2示出了一種相對于圖1的用冷卻劑側(cè)的加熱-換熱裝置21擴展的實施例。在圖1中的燃料電池或燃料電池系統(tǒng)的上述部件的附圖標記也對應(yīng)于圖2中的各部件。
加熱-換熱裝置21例如可以是一個加熱器或一個空調(diào)機。在移動的燃料電池系統(tǒng)的情況下，它例如可以是車輛的加熱器或空調(diào)設(shè)備。因此尤其在直至寒冷的低溫時可以利用催化燃燒器15的不再輸入到冷卻循環(huán)3中的熱量，以改善燃料電池系統(tǒng)的總效率。
出于簡單描述的原因，不但加熱器22而且蒸發(fā)器23作為一個單元示出。它們不僅由圖1所示的用于將催化燃燒器15接通至冷卻劑循環(huán)3和/或與冷卻劑循環(huán)3切斷的管路19加載，而且也用可以由風機24產(chǎn)生的氣流25加載。
在圖2的視圖中還附加地示出了一個監(jiān)控裝置26，它用于控制風機24。另外，風機24也可以由監(jiān)控裝置13控制。
另外也可以將監(jiān)控裝置13和必要時監(jiān)控裝置26另外通過控制線路和/或能量供給管路與上級系統(tǒng)例如車輛的其它信號單元和/或能量供給單元連接。
權(quán)利要求
1.燃料電池，它尤其具有聚合物-電解質(zhì)-薄膜，具有一個冷卻劑循環(huán)和一個用于加熱冷卻劑的催化燃燒器，其特征在于該催化燃燒器(15)可以接通至冷卻劑循環(huán)(3)和/或與冷卻劑循環(huán)(3)切斷或可任意調(diào)節(jié)。
2.按權(quán)利要求1的燃料電池，其特征在于設(shè)有一個配屬于所述冷卻劑循環(huán)(3)的冷卻劑泵(6)。
3.按權(quán)利要求1或2的燃料電池，其特征在于設(shè)有一個用于控制所述催化燃燒器(15)相對于冷卻劑循環(huán)的開關(guān)狀態(tài)的控制單元(16)。
4.按上述權(quán)利要求之一的燃料電池，其特征在于所述控制單元(16)是一個閥單元(16)。
5.按上述權(quán)利要求之一的燃料電池，其特征在于所述閥單元(16)包括兩個2/2旁通閥。
6.按上述權(quán)利要求之一的燃料電池，其特征在于所述閥單元(16)包括一個3/2旁通閥。
7.按上述權(quán)利要求之一的燃料電池，其特征在于所述閥單元(16)包括一個比例閥(3/2旁通閥或兩個2/2旁通閥)。
8.按上述權(quán)利要求之一的燃料電池，其特征在于所述控制單元(16)包括一個3/2旁通調(diào)整閥瓣。
9.按上述權(quán)利要求之一的燃料電池，其特征在于設(shè)有一個附加的換熱裝置(21)，它可接通至冷卻劑循環(huán)和/或與冷卻劑循環(huán)切斷。
10.按上述權(quán)利要求之一的燃料電池，其特征在于所述催化燃燒器設(shè)置在冷卻劑循環(huán)中冷卻劑泵(6)的抽吸側(cè)區(qū)域內(nèi)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種燃料電池，具有一個冷卻劑循環(huán)和一個用于加熱冷卻劑的催化燃燒器。其特征在于催化燃燒器(15)可以接通至冷卻劑循環(huán)和/或與冷卻劑循環(huán)切斷或可任意調(diào)節(jié)。
文檔編號H01M8/04GK1893158SQ20061010118
公開日2007年1月10日 申請日期2006年7月3日 優(yōu)先權(quán)日2005年7月4日
發(fā)明者T·-H·阮-謝菲爾, T·黑德 申請人:羅伯特.博世有限公司