[发明专利]内部可控的燃料电池

说明书

技术领域

本发明涉及可控的燃料电池和可控的高压电解电池，并且尤其涉及具有改进的动力和操作可靠性的可控的燃料电池和高压电解电池。

背景技术

燃料电池被用于高效地提供有效的能量供应。然而，现在使用的燃料电池具有相对低的可用性，其远远低于其他能量产生设备的可用性，例如，浓缩发电厂(condensation power plants)或风力发电厂。此外，现在使用的燃料电池具有相对差的动力，特别是在高负载和/或在发生短路的情况下。因此，对燃料电池必须使用复杂的保护技术。通常燃料电池必须尺寸大到能够确保短期过载供电，因此，它们将有更大的重量，并在相同的最大功率水平时具有相对低的功率密度。此外，当存在可能损坏燃料电池隔膜的持续的高电流负载时，燃料电池隔膜不能足够快地关闭。

现有技术中已有各种类型的燃料电池，例如，用于低温范围的碱性燃料电池(AFC)、聚合物电解质隔膜燃料电池(PEFC)或磷酸燃料电池(PAFC)，和/或用于高温范围的熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)或固体氧化物陶瓷燃料电池(SOFC)。这样的燃料电池，例如在K.Heuck,K.D.Dettmann,D.Schulz:Elektrische Energieversorgung[Electrical Power Supply]，第8版，Wiesbaden,Vieweg，2010，第22页中有描述。此外，例如，DE 11 2007 000 666T5描述了一种用于监控燃料电池的内部条件的装置和方法，其中测量值由用于测量电极电流的传感器记录。此外，US6,949,920B2描述了一种用于测量燃料电池的电流密度的设备，其中测量值在燃料电池的电极上获得。

发明内容

本发明的目的是提供改进的燃料电池可控性。

根据独立权利要求，本发明涉及燃料电池隔膜单元、具有这种燃料电池隔膜单元的燃料电池、以及具有燃料电池隔膜单元的高压电解电池，其中示例性实施例包含在从属权利要求中。

根据本发明的示例性实施例，燃料电池隔膜单元被提供以用于在燃料电池的阳极和阴极之间使用，其中燃料电池隔膜单元提供燃料电池隔膜以及与燃料电池隔膜连接的执行器，其中执行器被设计用于控制燃料电池隔膜中的电流密度分布。

因而，可以通过控制而在隔膜上直接影响燃料电池，例如通过控制电解质的性质，诸如电导率、浓度或从液相到固相的相转变。通过这种方式，可以通过在燃料电池隔膜中或上引入附加的控制元件来影响燃料电池隔膜上的反应。执行器形式的控制单元和/或控制元件可以可选地被机械地、电气地、磁性地、光学地、液压地或气动地实现。燃料电池的操作性能可以通过这样的对隔膜的直接控制来改进，而动作没有延迟。特别地，由于内部控制而可以增加燃料电池的寿命，特别是因为在临界操作状态下可以很快地关闭燃料电池。此外，也增加了燃料电池的可用性，因为燃料电池不必等到随后处在负载的情况或电过载的情况时才关闭，从而更多的时间可用于供电。此外，在动力方面也有所提升，因为燃料电池可以由于这种内部可切换行而做成更高的反应速率所需的尺寸，并且燃料电池可以在毫秒范围内很快地供给更高的电流幅值，即使在电负载急剧增加的时候。

根据本发明的一个实施例，执行器具有适于产生电场和/或磁场的栅格结构。

因而，燃料电池隔膜可以通过电场和/或磁场效应来控制。特别地，用于产生电场和/或磁场的对应结构可以保持相对小，使得燃料电池的结构体积基本上没有增加。

根据本发明的一个实施例，执行器具有水平栅格和竖直栅格。根据本发明的一个实施例，水平栅格被布置成相对于竖直栅格基本上旋转90°。这里应当指出，水平栅格和竖直栅格相对于彼此也可以形成除了90°以外的其他角度。

因而，在对应的隔膜区域之上对隔膜的均匀控制是可能的。栅格结构可以在燃料电池隔膜中和/或上相对容易地实现。

根据本发明的一个实施例，水平栅格和竖直栅格直接位于彼此之上。

因而，可以实现相对小的设计高度。特别地，水平栅格和竖直栅格的组合可以很容易地预制在隔膜的布置中或者在两个部分隔膜之间。这里应当理解，水平栅格和竖直栅格可以是彼此绝缘的，无论它们是否直接与彼此邻接，从而水平栅格和竖直栅格可以彼此单独控制。

根据本发明的一个实施例，栅格结构的至少一部分被嵌入在燃料电池隔膜中。