CN102217129A - 用于联接到燃料电池装置上的供给单元以及具有这种供给单元的燃料电池系统 - Google Patents

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Abstract

本发明的目的是，提出一种供给单元以及具有这种供给单元的燃料电池系统，这种供给单元和燃料电池系统实现了成本经济的和/或在工作中可加负荷的结构。为此提出一种用于联接到燃料电池装置(2)上的供给单元(3)，所述供给单元具有气体-气体润湿装置(7)，所述气体-气体润湿装置设计和/或设置成，利用所述燃料电池装置(2)的排气(B)中的湿气来润湿用于所述燃料电池装置(2)的氧化剂(A)。所述气体-气体润湿装置(7)具有排气区域(14)和氧化剂区域(13)，所述排气区域和氧化剂区域通过分隔层彼此分开。所述分隔层能使所述湿气从所述排气区域(14)传输至所述氧化剂区域(13)，以用于润湿所述氧化剂(A)，其中所述气体-气体润湿装置(7)具有一用于形成所述排气区域(14)和所述氧化剂区域(13)的整体式蜂窝结构(11)。

Description

用于联接到燃料电池装置上的供给单元以及具有这种供给单元的燃料电池系统
技术领域
本发明涉及一种用于联接到燃料电池装置上的供给单元，该供给单元具有气体-气体润湿装置(Gas-zu-Gas-Befeuchtungseinrichtung)，该气体-气体润湿装置设计和/或设置成，利用该燃料电池装置的排气中的湿气来润湿用于该燃料电池装置的氧化剂，其中该气体-气体润湿装置具有排气区域和氧化剂区域，该排气区域和氧化剂区域通过分隔层彼此分开，其中该分隔层使得湿气能从排气区域传输至氧化剂区域中，用以润湿氧化剂。本发明还涉及一种具有这种供给单元的燃料电池系统。
背景技术
在燃料电池系统中，耗用气体、即特别是氧化剂和燃料的调温调湿起重要作用，以便确保燃料电池系统的长的使用寿命和高效的能量输出/能量效率。为了对氧化剂进行调温调湿，通常首先压缩氧化剂以提高压力、随后进行冷却。由于设置在燃料电池系统中的、在单个燃料电池中将阳极室与阴极室分开的膜即通常所谓的质子交换膜(PEM)对干燥很敏感，因此必须在任何时候都确保，氧化剂被充分润湿。该润湿通常通过燃料电池系统的供给管路中的润湿装置来确保。
文献US 2005/0282051A1给出了燃料电池系统的一个例子，该文献公开了一种蜂窝结构燃料电池系统，该蜂窝结构燃料电池系统将化学能转化成电能。在文献的序言中提出燃料电池的两种构造方式，其中根据第一种构造方式的管形类型的突出之处为结构牢固，而根据第二种构造方式的扁平类型与管形类型相比其突出之处在于较高的功率密度、然而较低的机械稳定性。在这种考虑的基础上提出一种蜂窝结构燃料电池结构，以便将高功率密度和结构牢固的优点结合在一起。由下面的描述得出：在蜂窝结构中可以补充地集成其它功能组件。
文献US 2002/0155328A1涉及一种用于在燃料电池的阴极供给系统中传输水蒸气的方法和装置。氧化剂的输入通过多个彼此平行布置的管来实现，该管在外侧由燃料电池的阴极排气包围冲淋，其中阴极排气中的湿气穿过所述管的壁部被传输给输入的氧化剂。所述管的端部被埋入合成树脂中以用于机械固定。
最接近的现有技术的文献DE 102007003144A1涉及一种用于在燃料电池中处理反应气体的装置。在该文献中提出，为了对作为反应介质被输入的空气进行温度调节和润湿，在一个功能单元中结合了两个功能：“冷却”和“润湿”，其中使用所谓的中空纤维膜，该中空纤维膜由耐高温的材料制成。在该文献中的结构上的改进方案中，使用优选由陶瓷并且例如由沸石、硅氧化物、氧化铝制成的抗高温的膜或温度稳定的聚合物膜。所述膜粘到腔中，以便新鲜气体与排气以下述方式在中空纤维膜上引导和接触，使得水蒸气能从排气穿过该膜传输至新鲜气体。
发明内容
本发明的目的是：提出一种供给单元以及具有这种供给单元的燃料电池系统，这种供给单元和燃料电池系统实现了成本经济的和/或在工作中能被加负荷的结构。
所述目的通过具有权利要求1的特征的供给单元和具有权利要求11的特征的燃料电池系统来实现。
本发明的优选或有利的实施形式由从属权利要求、下面的说明书以及附图给出。
因此，本发明涉及一种供给单元，该供给单元适用于和/或被设计用于联接到燃料电池装置上。特别是，该联接设计成可拆松的，从而可以从燃料电池装置上取下供给单元。在该燃料电池装置中优选设置有多个燃料电池。
供给单元优选设计成阴极供给装置并具有气体-气体润湿装置，该气体-气体润湿装置使得能利用燃料电池装置的排气、特别是阴极排气中的湿气来润湿用于燃料电池装置的氧化剂、特别是输入的空气。为了实施所述润湿，气体-气体润湿装置具有排气区域和氧化剂区域，该排气区域和氧化剂区域通过湿气可渗透的分隔层彼此分开，该分隔层允许湿气从排气区域传输到氧化剂区域，以用于润湿氧化剂。如开头所述的，氧化剂的润湿起着调控的作用，所述调控用于满足燃料电池装置的膜、特别是质子交换膜(PEM)的要求。
在本发明的范围内，该气体-气体润湿装置具有一用于形成排气区域和氧化剂区域的整体式蜂窝结构。特别是，该排气区域和氧化剂区域设置在一个共同的整体式蜂窝结构中。
根据本发明，整体式结构是单件式设计的结构。单件的形式可以通过成型、例如挤压产生或者由半成品通过切削过程例如铣削、钻孔等产生。蜂窝结构理解成一种具有至少两个蜂窝、即一用于排气区域的蜂窝和一用于氧化剂区域的蜂窝的结构。优选地，蜂窝结构具有多个蜂窝。蜂窝的截面可以设计成任意形状，例如圆形、圆环形、椭圆形、多边形、六角形、矩形等。例如整体式蜂窝结构设计成陶瓷体。
本发明的优点是，一方面与现有技术相比省略了将单膜复杂地浇注入合成树脂中的过程。代替地，改为使用机械稳定的并因此不敏感的单件式结构。另一方面，整体式蜂窝结构的优选实施形式已经在发动机的排气后处理中广泛地使用了，因此可成本经济地且高质量地从市场上获得。
在本发明的一种优选实施形式中，湿气经由其从排气区域传输到氧化剂区域中或者从排气传输到氧化剂中的分隔层包括整体式蜂窝结构的基底材料/基础材料或者通过所述基底材料形成。在一种简单的实施形式中，该基底材料这样被构造成多孔的，使得该基底材料出于其基本特性具有用于湿气传输的必要的能力。
在本发明的一种优选的改进方案中，分隔层、即整体式蜂窝结构的基体利用一种材料、例如沸石、二氧化硅、温度稳定的聚合物或氧化铝进行涂层和/或处理。
在这两种实施形式中，分隔层或基体的渗透性都设计成，使得阻挡住氧化剂中的氧气并实现了用于湿气、特别是水蒸气的渗透性。
在本发明的一种结构上的优选实施方案中，整体式蜂窝结构具有多个作为蜂窝的通道，其中所述通道的第一组形成排气区域，所述通道的第二组形成氧化剂区域。这两个组能各自具有相同数量的通道，然而该通道还能不相同地被分配。该通道全都能以相同的方式实现，在修改的实施形式中，这些通道也可以——特别是与组有关地——不同。
在一种可能的实施形式中，所述第一组的通道和所述第二组的通道规则地——优选分层地——交替地和/或轮换地设置在整体式蜂窝结构中。在第一层中布置用于氧化剂的通道、在第二层中布置用于排气的通道、在第三层中又布置用于氧化剂的通道，从而湿气可以从中间层开始沿两个方向进行传输。
在一种实际的方案中，整体式蜂窝结构在一端侧具有一个或多个敞开的、用于两个组之一的联接开口。所述联接开口设计成，使得该联接开口能与用于排气的排出管路和/或用于氧化剂的输入管路相联接。优选地，该组的联接开口设置在整体式蜂窝结构的两个端侧上。
与之相比，所述另一个组的一个或多个联接开口在相同的端侧处例如通过分配器罩来封闭，也是优选的。使用分配器罩的优点是，首先整体式蜂窝结构的所有联接开口都能是敞开的，这些联接开口可选择性地通过分配器罩来封闭。代替分配器罩，还可以使用其它封闭元件用以闭锁所述另一个组的联接开口。
优选地，所述组之一的一个或多个联接开口设置在整体式蜂窝结构的周面上。特别是，所述联接开口是用于不能通过端侧到达的通道的组的联接开口。周侧的联接开口优选通过切削过程、特别是开槽来实现。
例如，氧化剂和排气的材料流的分开的引导通过在端侧上封闭的通道排和通过在封闭的通道排中的侧向的开槽部来实现。一个材料流可以在端侧处输送至如此制备的整体式蜂窝结构，该材料流分布到未封闭的通道排上并且流经该未封闭的通道排。第二材料流通过侧向的联接开口被输入在端侧封闭的通道排中并且在另一端部处又通过在那里同样具有的侧向的联接开口离开整体式蜂窝结构。
特别优选的是，整体式蜂窝结构仅引导第一组的材料流和第二组的材料流。
在本发明的一种优选的改进方案中，整体式蜂窝结构附加地被确定尺寸成和/或形成为增压空气冷却器。氧化剂入流经常被压缩，其中压缩温度高达200℃。该温度对于设置在下游的燃料电池装置而言过高。由于将仅具有较低的热敏度的整体式蜂窝结构用作气体-气体润湿装置，因此未冷却的、被压缩的氧化剂可以直接流入整体式蜂窝结构中并且在该整体式蜂窝结构中不仅进行冷却而且还吸收湿气。
本发明的另一个主题涉及一种燃料电池系统，该燃料电池系统至少具有一燃料电池装置和一用于为该燃料电池装置提供氧化剂的供给单元，其中该供给单元如上所述地形成。
燃料电池系统优选设计成移动的燃料电池系统，特别是用于为机动车供应驱动能量。燃料电池装置优选具有一个或多个燃料电池组，所述燃料电池组具有多个燃料电池，特别是多于100个、优选多于150个的燃料电池。
优选地，燃料电池系统的突出之处在于，在所述氧化剂和阴极排气之间的直接的和/或决定性的热传递和/或湿气传输通过气体-气体润湿装置来实现。特别是可以省略另外的润湿装置和/或另外的用于冷却被压缩的氧化剂的增压空气冷却器。因此实现了本发明的另一种可能的应用，该应用一方面降低了必要部件的数量，另一方面实现了供给单元的较高的负载能力。
优选地，燃料电池系统具有可控制或可调节的旁路管线，该旁路管线绕过气体-气体润湿装置延伸，以便通过被引导经过气体-气体润湿装置的氧化剂和被引导绕过该气体-气体润湿装置的氧化剂的比例来调节氧化剂的温度并同时调节湿度。
在本发明的一种实际设计方案中，在该气体-气体润湿装置的上游流动技术地连接有一用于压缩氧化剂的压缩机和/或在该气体-气体润湿装置的下游连接有一用于给排气卸压/降低压力的涡轮。优选地，压缩机和涡轮通过传动轴彼此联接，从而可以将在卸压时从排气取出的能量作为压缩能输送给氧化剂。优选地，在该气体-气体润湿装置的下游连接有一用于去除剩余湿气的冷凝分离器。
附图说明
本发明的其它特征、优点和效果由下面对优选实施例以及附图的描述给出。其中：
图1示出具有作为根据本发明的实施例的供给单元的燃料电池系统的示意性框图；
图2以正面俯视图、侧面剖视图和俯视剖视图示出图1中的供给单元内的整体式蜂窝结构。
具体实施方式
图1以示意性框图示出燃料电池系统1。燃料电池系统1包括燃料电池装置2，在该燃料电池装置中设置有多个燃料电池(未示出)，该燃料电池分别具有PE膜(质子交换膜(PEM))。用于为燃料电池装置2供给或去除氧化剂的供给单元3通过连接管路与燃料电池装置2连接。未示出燃料电池装置2的其它供给装置、例如阳极供给装置。
供给单元3具有用于氧化剂的供给支路4和去除支路5。供给支路4为燃料电池装置2供给氧化剂，去除支路5从燃料电池装置2的阴极区域排出排气。
输入周围空气作为氧化剂，该周围空气首先在压缩机6中被压缩，然后被引导至气体-气体润湿装置7，该气体-气体润湿装置7从功能上看用于冷却和润湿被压缩的氧化剂。然后，被压缩和润湿的氧化剂被输送至燃料电池装置2。为了能调节所述润湿和/或冷却，设置有一旁路8，该旁路能通过阀如此控制，使得氧化剂的部分流或全部材料流在到燃料电池装置2的路程上绕过气体-气体润湿装置7。当氧化剂在燃料电池装置2中进行了电化学反应之后，排气流又被输送至气体-气体润湿装置7，在那里通过被压缩的氧化剂的余热来加热和去湿。在离开气体-气体润湿装置7之后，在冷凝分离器9中分离可能存在的液态水，然后排气在涡轮10中卸压并释放到环境中。涡轮10通过传动轴与压缩机6联接，从而可以通过涡轮10来驱动压缩机6。
因此，气体-气体润湿装置7具有双功能，即一方面冷却被压缩的氧化剂、另一方面通过排气流的湿气/水分来润湿氧化剂。所述湿气是燃料电池装置2中的燃料和氧化剂之间的电化学反应的副产物。
图2示出长方体形式的整体式蜂窝结构11的多个视图，该蜂窝结构内置在气体-气体润湿装置7中。整体式蜂窝结构11以其基本形状被挤出并且例如由温度稳定的陶瓷材料制成。由此，该蜂窝结构能承受被压缩的氧化剂的高达200℃的温度而不被损坏。
整体式蜂窝结构11具有多个通道12，该通道12规则地且平行地形成在一件式的基底材料中。通道12的横截面在这里示出为方形，然而也可以是其它任意形状。
整体式蜂窝结构11在其原始形状中仅提供多个彼此平行的的通道12，而通过下面阐述的修改方案在整体式蜂窝结构11中形成或分成两个区域、即氧化剂区域13和排气区域14。在此，根据图2所示的实施例的区域分配仅是示例性的。原则上，也可将用14标记的区域用作氧化剂区域，而将用13标记的区域作为排气区域。这两个区域13、14彼此通过由整体式蜂窝结构11的基底材料组成的间隔壁分开并且在工作时由相应的材料流(即氧化剂A和排气B)流过。在此，在图2所示的实施例中的A对应于氧化剂而B对应于排气，仅是示例性的。原则上，也可将A对应于排气而将B对应于氧化剂。
第一修改方案通过封闭在整体式蜂窝结构11的前侧上的通道排来实现，如在根据A-A的俯视图中示出的。在此，每个第二排通过封闭元件15来封闭，其中封闭元件15安装到蜂窝结构11的两个端侧上。氧化剂A可以通过这种修改方案流过全部的在两个端侧处示为自由的联接开口的通道12。而每个第二排在两侧利用封闭元件15闭锁。
为了使排气B能流过整体式蜂窝结构11，该蜂窝结构在侧面具有开槽部16，该开槽部16延伸至这样的程度，即在一个排中，全部的通道12以彼此流通或敞开的方式连接。排气B能从周侧开始被引导到整体式蜂窝结构11中、通过开槽部16分配到所有通道12上以及平行地且同向或反向于氧化剂流A地流过整体式蜂窝结构11。
氧化剂流A和排气流B仅通过由整体式蜂窝结构11的基体组成的分隔层彼此分开，该分隔层如此设计成膜，使得能阻挡住氧气，但湿气、水蒸气或水能透过。可选地，分隔层可具有由沸石、二氧化硅或聚合物组成的涂层。
附图标记列表：
1燃料电池系统            16开槽部
2燃料电池装置
3供给单元
4供给支路
5去除支路
6压缩机
7气体-气体润湿装置
8旁路
9冷凝分离器
10涡轮
11蜂窝结构
12通道
13氧化剂区域
14排气区域
15封闭元件

Claims (15)

1.一种用于联接到燃料电池装置(2)上的供给单元(3)，所述供给单元具有一气体-气体润湿装置(7)，所述气体-气体润湿装置设计和/或设置成，利用所述燃料电池装置(2)的排气(B)中的湿气来润湿用于所述燃料电池装置(2)的氧化剂(A)，
其中所述气体-气体润湿装置(7)具有一排气区域(14)和一氧化剂区域(13)，所述排气区域和氧化剂区域通过分隔层彼此分开，其中所述分隔层能使所述湿气从所述排气区域(14)传输至所述氧化剂区域(13)中，用以润湿所述氧化剂(A)，
其特征在于，所述气体-气体润湿装置(7)具有一用于形成所述排气区域(14)和所述氧化剂区域(13)的整体式蜂窝结构(11)。
2.根据权利要求1所述的供给单元(3)，其特征在于，所述分隔层包括所述整体式蜂窝结构(11)的基底材料或者通过所述基底材料形成。
3.根据权利要求1或2所述的供给单元(3)，其特征在于，所述分隔层利用选自由沸石、二氧化硅或聚合物组成的组的功能材料进行涂层和/或处理。
4.根据前述权利要求中任一项所述的供给单元(3)，其特征在于，在所述整体式蜂窝结构(11)中设置有多个通道(12)，其中所述通道的第一组形成所述排气区域(14)，所述通道的第二组形成所述氧化剂区域(13)。
5.根据权利要求4所述的供给单元(3)，其特征在于，所述第一组和所述第二组在所述整体式蜂窝结构(11)中规则地、优选分层地、交替地设置。
6.根据前述权利要求4或5所述的供给单元(3)，其特征在于，用于所述两个组中的一个组的一个或多个敞开的联接开口设置在所述整体式蜂窝结构(11)的一端侧上。
7.根据权利要求6所述的供给单元(3)，其特征在于，另一个组的一个或多个联接开口在所述端侧——特别是通过分配器罩——被封闭。
8.根据前述权利要求中任一项所述的供给单元(3)，其特征在于，用于所述组之一的一个或多个联接开口设置在所述整体式蜂窝结构(11)的周面上。
9.根据权利要求8所述的供给单元(3)，其特征在于，所述周侧的联接开口通过切削部、特别是开槽部(16)来实现。
10.根据前述权利要求中任一项所述的供给单元(3)，其特征在于，所述整体式蜂窝结构(11)补充地被确定尺寸成和/或形成为增压空气冷却器。
11.一种燃料电池系统(1)，所述燃料电池系统至少具有一燃料电池装置(2)和一用于为所述燃料电池装置(2)供给氧化剂(A)的供给单元(3)，其特征在于，所述供给单元(3)根据前述权利要求中任一项所述地形成。
12.根据权利要求11所述的燃料电池系统(1)，其特征在于，所述氧化剂(A)和排气(B)之间的直接的和/或重要的热传递和/或湿气传输在气体-气体润湿装置(7)中实现。
13.根据权利要求12所述的燃料电池系统(1)，其特征在于，所述燃料电池系统具有旁路管线(8)，所述旁路管线绕过所述气体-气体润湿装置(7)延伸。
14.根据前述权利要求中任一项所述的燃料电池系统(1)，其特征在于，在所述气体-气体润湿装置(7)的上游流动技术地连接有一用于压缩氧化剂(A)的压缩机(6)和/或在所述气体-气体润湿装置(7)的下游连接有一用于给排气(B)卸压的涡轮(10)。
15.根据前述权利要求中任一项所述的燃料电池系统(1)，其特征在于，在所述气体-气体润湿装置(7)的下游连接有一冷凝分离器。
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