CN102318118B - 包括至少一个燃料电池的燃料电池系统 - Google Patents

Abstract

一种燃料电池系统(1)包括至少一个燃料电池(2)，该燃料电池包括阴极区(3)和阳极区(4)。燃料电池系统(1)还具有置换装置(12)，该置换装置一方面被向阴极区(3)流动的进气空气流通过以及另一方面被从阴极区(3)释放的经使用的空气通过。在置换装置(12)内，热从进气空气流传递到经使用的空气流并同时水蒸汽从经使用的空气流传递到进气空气流。燃料电池系统(1)还具有压缩机(6)，通过涡轮(16)至少以支持方式驱动该压缩机。涡轮(16)被设置在置换装置(12)的下游并由经使用的空气通过。此外，在涡轮(16)的上游设置催化材料，向该催化材料输送含有燃料的气体。根据本发明，催化材料(13)在经使用的空气侧与置换装置(12)集成，其中，向置换装置(12)的经使用的空气侧输送来自阳极区(4)的废气。

Description

包括至少一个燃料电池的燃料电池系统

技术领域

本发明涉及一种根据在权利要求1的前序部分中详细定义的类型的包括至少一个燃料电池的燃料电池系统。

背景技术

DE102007003144A1描述了一种常规燃料电池系统。该燃料电池系统包括将“冷却”和“加湿”两种功能相组合的置换装置。这种在该文献中称为功能单元的置换装置允许从燃料电池的排放空气向到燃料电池的进气空气（intake air）的材料流动，而同时发生从由压缩装置加热的进气空气到比较凉的排放空气的热交换。DE102007003144A1由此附加地示出一种结构，其中燃料电池系统的空气供给通过压缩机实现，该压缩机可以一方面由涡轮驱动和/或另一方面由电动机驱动。这种在燃料电池系统方面普遍公知的结构也称为电动涡轮增压器并允许至少支持压缩机的驱动，并在电机的功率过剩时通过涡轮作为发电机工作。

此外，US2005/0019633A1公开了一种具有阳极再循环回路（cycle）的燃料电池系统。在这种系统中，随时从阳极回路中排出的废气与来自阴极区域的废气（通常，也就是经使用的空气）混合并在催化燃烧器内燃烧。在除湿的经使用的空气和来自阳极区的废气催化燃烧时产生可以利用的相应热能，以便加热燃料电池系统的冷却回路。

这种操作方式对于这种燃料电池系统的冷启动来说肯定代表着相应优点，但对于正常操作来说，将这种废热输送到冷却水却是非常临界的，因为例如在车辆上可供足够冷却燃料电池使用的冷却面积是不够或很差的。此外，在US2005/0019633A1的结构中，在催化燃烧器的区域内产生的废热除了冷启动的情况外并不能有效利用。

发明内容

这里本发明的目的因此在于，对燃料电池系统进行如下改进，使氢不排放到环境以及燃料电池系统以尽可能最佳利用可供使用的能量的方式操作。

该目的根据本发明权利要求1所述的特征得以实现。

通过将催化材料集成到置换装置的经使用的空气侧，省去附加的部件并缩短阳极区废气的线路。这种结构因此可以使废气直接流入阴极区后面的经使用的空气内，因为这种混合气体共同进入置换装置，在该置换装置的催化材料区域内，处于废气内的残余氢可与阴极区的经使用的空气内的残余氧产生反应。在这种反应时产生热和水蒸汽。热在这里特别受欢迎，因为除了由通过压缩机之后非常热的进气空气引入的热之外，还向从置换装置向涡轮的方向流动的经使用的空气引入了附加的热。

根据本发明的燃料电池系统的结构因此允许来自阳极区的含氢废气与来自阴极区的经使用的空气中的残余氧转换，并因此防止氢向燃料电池系统的环境扩散。此外，通过由此产生的废热，置换装置后面的经使用的空气比在置换装置的经使用的空气侧没有催化材料时明显更热。由此可以达到向涡轮输送附加能量的目的。由含氢废气的转换中产生的能量因此可以有益地在燃料电池系统内使用，在该燃料电池系统内，这种能量支持涡轮的驱动。

根据燃料电池系统一种特别有益的设置，作为含燃料的气体，可以输送附加的燃料，特别是氢。

这种设置允许除了来自阳极区的废气外输送附加的燃料作为含燃料的气体。原则上这种燃料可以是任意的燃料。但如果燃料电池系统利用氢运行，而且这种氢在任何情况下存在，那么该氢可以理想的方式作为附加燃料加以利用。附加燃料向置换装置并因此向置换装置的经使用的空气侧内的催化材料的输送使燃料与经使用的空气内残余氧的转换得到提高。这产生附加的热，这种热然后明显提高可以通过涡轮调用的功率。这种附加的能量然后可以用于驱动压缩机。

此外根据本发明一种特别有益的设置，压缩机可由电机驱动，其中，在涡轮上功率过剩的情况下，涡轮驱动发电机模式的电机以产生电能。

在具有上述类型的电机的燃料电池系统的这种设置中，如果将附加的燃料输送到置换装置的经使用的空气侧上的催化材料区域内，那么通过附加产生的热也可以直接产生电能，该电能然后作为附加的电能不仅可以用于驱动压缩机，而且还可以用于其他耗电器，例如像电动机等等的装置。通过附加产生废热，因此可以实现“加速（boost）”操作。

此外在本发明一种特别具有优点的设置中，热屏蔽置换装置的进气空气侧与具有催化材料的区域。

这一点例如可以由此进行，即两个区域彼此不接触或仅间接热接触，例如其中在该区域内置换装置的进气空气侧与排气侧之间实现导热比较差的材料或空气隙。因而可以避免催化材料的区域内产生的废热和在这里特别是利用附加燃料运行时产生的热，不必要地加热到燃料电池的阴极区的进气空气。

根据本发明的燃料电池系统，其特征在于，所述催化材料被以涂层的形式引入所述置换装置的所述经使用的空气侧。

所介绍的所有方案中的根据本发明的燃料电池系统，在具有可实现的使用寿命和效率的理想设置的情况下，允许简单、紧凑并因此成本低廉的结构。根据本发明的燃料电池系统因此特别适合于在运输（transport）装置中使用，并在这里适用于产生驱动运输装置和/或运输装置内的辅助耗电器的电力。由此，在本发明的意义上，运输装置是指任何类型的陆地、水上或空中的运输装置，其中，特别地关注将这种燃料电池系统用于无轨道的交通工具，而根据本发明的燃料电池系统的用途并不局限于此。

附图说明

根根据本发明的燃料电池系统的其他有利设置来自其他从属权利要求，并将通过下面参照附图详细说明的实施例而显而易见，其中：

图1示出根据本发明的燃料电池系统第一可能的实施例；以及

图2示出根据本发明的燃料电池系统另一备选的实施例。

具体实施方式

下列附图中的图示以非常简化的图示仅仅示出了理解本发明的相当复杂的燃料电池系统所需的部件。由此对于该燃料电池系统来说不言而喻的是，在燃料电池系统内还提供了诸如冷却回路等等的其他组成部分，虽然在后面所示的附图中也没有考虑。

图1现在示出包括燃料电池2的燃料电池系统1。燃料电池2由此包括以常见方式构建的单个电池的叠层。在燃料电池2内形成有阴极区3和阳极区4，这些区域在本实施例中通过PE膜片5相互隔开。在图1所示的实施例中，通过压缩机6向阴极区3输送进气空气流。压缩机6由此例如可以被设计为螺旋压缩机或流式压缩机，正如在燃料电池系统中常见的那样。基本上，也可以设想用于压缩所输送的空气流的其他可能性，例如通过活塞机等等。向阴极区3输送的进气空气流在燃料电池2内与输送到阳极区4的氢反应成水，由此释放电力。燃料电池2的这种公知原理对于本发明来说仅具有次要作用，因此无需赘述。

在这里所示的实施例中，为阳极区4输送来自氢储存装置7，例如压力储存器和/或混合储存器的氢。原则上也可以设想供给燃料电池2含氢的气体，该气体例如由燃料电池系统区域内的含碳氢化合物（hydrocarbon）的初始材料产生。

在图1的示例性实施例中，来自氢储存装置7的氢通过在这里仅示意示出的计量装置8导入阳极区4内。从阳极区4流出的总体上仍还含有比较大量的氢的废气通过再循环管路9以及再循环输送装置10而返回到阳极区4内。在该再循环的区域内，由此提供由氢储存装置7释放的新鲜氢，从而在阳极区4内始终具有足够量的氢可供使用。具有再循环管路9和再循环输送装置10的燃料电池2的阳极区4的结构本身公知和常见。作为再循环输送装置10例如可以使用气体喷射泵，其由来自氢储存装置7的新鲜氢驱动。作为再循环输送装置10，也可以可选地设想再循环风机。不言而喻，也可以是这些不同输送装置的组合，它们同样属于根据这里的说明书的再循环输送装置10的定义。此外在使用阳极废气的再循环时，公知在再循环管路9的区域内随着时间聚集的惰性气体例如氮，会穿过PE膜片5从阴极区3进入阳极区4内。此外，为在阳极区4内进一步提供足够浓度的氢，因此在再循环管路内的阳极区的废气需要随时排出。为此在根据图1的示例实施例中具有排放阀11，来自阳极区4的废气通过该排放阀可以随时排出。该过程通常也称为“净化（purge）”。废气由此除了惰性气体外，总是还含有相应量的残余氢。

在图1的燃料电池系统1的结构中，从压缩机6向阴极区3流动的进气空气通过对进气空气进行处理的置换装置12。典型的是，在压缩机6之后的进气空气具有比较高的温度。因为燃料电池2和特别地燃料电池2的PE膜片5对过高的温度和过干的气体反应非常灵敏，所以进气空气在置换装置12内被相应冷却和加湿。在此方面，为冷却和加湿使用来自阴极区3的经使用的空气流。该经使用的空气流同样通过置换装置12流动。置换装置12这样构成，其将进气空气和经使用的空气的两个材料流基本上彼此分开。这一点例如可以由此进行，即一个材料流通过空心纤维流动，而另一个材料流则环绕空心纤维流动。此外可以设想，置换装置12以板式反应器的方式构成，其中两个材料流通过平板或膜片彼此分开。

事实证明特别有益的是，置换装置12以蜂窝体的形式构成，例如像在汽车的废气催化器中常见的那样。通过蜂窝体的相应设置，可以达到进气空气流和经使用的空气流在蜂窝体不同的相邻通道内流动的目的。在此方面，原则上可以设想任何类型的通过，例如两个材料流的并流（co-currentflow）导引或横流（cross flow）导引。但事实证明特别适用的是，材料流以逆流或以具有高逆流部分的流动导引而通过置换装置12。在置换装置12内，现在出现从热进气空气流向阴极区3到冷的经使用的空气流的热交换。通过逆流导引，达到最冷的经使用的空气流与进气空气流的已经得到最强冷却的部分的导热接触，而已经相当强加热的经使用的空气流则冷却流入置换装置12内时还非常热的进气空气流。由此达到非常好的冷却进气空气流的目的。此外，置换装置的材料例如允许耐高温的膜片、多孔陶瓷、沸石等等，允许来自阴极区3的非常潮湿的经使用的空气流中的水蒸汽进入到会流到阴极区3的非常干燥的进气空气流中，该来自阴极区3的非常潮湿的经使用的空气流携带有在燃料电池2内产生的产物水。由此进气空气流相应加湿，这样对燃料电池2区域内的PE膜片5的功能和使用寿命产生积极影响。在此方面参阅开头已经提到的DE102007003144A1所公开的结构和功能。

在这里的本实施例中，除了其根据现有技术的结构之外，置换装置12附加地具有催化材料。在图示中通过区域13表示的这种催化材料用于氢与进气空气中的氧进行反应。氢在此方面来自环绕燃料电池2阳极区4的再循环管路9。氢正如已经提到的那样，随时通过排气阀11排出。这种也称为净化气体（purge gas）的含氢废气在经使用的空气侧到达置换装置12。废气或废气内所含的氢在那里的催化材料13区域内与经使用的空气中的一部分残余氧进行反应。在此方面产生热和水蒸汽形式的水。

附加地，可以向置换装置12的在经使用的空气侧输送另一燃料。在燃料电池系统1内本来就存在氢的情况下，这一点特别地可以是氢。但也可以设想输送碳氢化合物等等，如果该燃料在燃料电池系统1内可供支配的话。附加的氢的输送在燃料电池系统1的这里所示的实施例中，从氢储存装置7的区域通过计量装置14以及相应的管路件15进行。可选的氢也可以像来自阳极区4的废气那样，引入置换装置12前面的经使用的空气的输入管路内，正如通过图1原则上表示的那样。可选地，也可以设想，将废气和/或氢直接引入置换装置12内，并在这里特别是催化材料13的区域内。附加的氢现在可以利用，以便在催化材料13的区域内产生附加的热。为限制所产生的热从催化材料13的区域进入到阴极区3的进气空气，置换装置12的经使用的空气区与进气空气区之间可以设置热去耦。这种热去耦例如可以通过空气隙或导热差的材料实现。也可以设想，具有催化材料13的区域相对于进气空气区从置换装置12凸出，从而流入置换装置12内的进气空气不与经使用的空气侧上的催化材料13的区域直接接触。

燃料电池系统1现在具有一种可能性是，利用排气中存在的废热和里面所含有的压力能。为此，经使用的空气通过在置换装置12之后的涡轮16，在该涡轮内特别地将经使用的空气中所含有的废热转换成机械能。涡轮16直接或间接与压缩机6耦合，从而涡轮16内出现的能量可以用于驱动压缩机6。因为在大多数的操作状态下通过涡轮16提供的能量不足以驱动压缩机6，所以该压缩机附加地与电机17连接。通过该电机17可以附加地为压缩机6提供驱动能。如果在确定的操作状态下涡轮16内出现功率过剩，那么涡轮16不仅可以驱动压缩机16，而且在这种情况下还可以驱动作为发电机的电机17。然后由电机17产生的电功率另一方面可以在燃料电池系统1内使用或储存。所谓电动涡轮增压器的这种结构本身也由现有技术的燃料电池系统中公知。

一个特定的优点现在由此产生，即通过涡轮16来使用经使用的空气内存在的废热。迄今为止视为问题的在来自阳极区4的废气与氧催化反应时的加热，可利用这种结构加以有利地使用，因为传递到经使用的空气的热现在在涡轮16内被使用，并可以转换成机械能。根据图2的燃料电池系统的结构因此允许通过有效利用在催化材料13的区域内产生的废热而对其进行有益的应用。因此不再像现有技术中那样，出于热的原因或老化原因或出于系统技术的原因的残余氢的量由此不再受到限制。虽然尽可能多的氢在燃料电池2内转换，但根据图2的燃料电池系统1的结构允许需要时更大量的残余氢也在置换装置12的催化材料13区域内进行转换。这样完全可以首先取消阳极再循环。通过计量装置14和管路件15添加燃料，现在也可以借助催化材料13的区域内产生的废热对涡轮16进行限定的操作。这种加速操作在确定的操作情况下非常有意义。这种情况的一个例子是燃料电池2的输出功率突然增高，造成压缩机6的功率相应增高。在这种情况下，通过废热量的增高，涡轮上提高更大的功率，其至少有助于满足这种情况下压缩机的功率要求。作为对此的备选，通过添加可选的燃料和涡轮16因此进行的加速，电能也可以直接通过然后作为发电机操作的电机17产生。附加的电力例如可以在电上补充突变的功率需求和/或可选地相对慢地反应燃料电池2。

图1的燃料电池系统1的结构此外可以具有环绕置换装置12这里未示出的可控或可调的旁路。旁路在此方面既可以设置在进气空气侧，也可以设置在经使用的空气侧。旁路会允许一部分材料流环绕置换装置12引导，以便在需要时在进气空气或另一方面的经使用的空气情况下在置换装置12后面重新与原始材料流混合。由此可以限定的方式来调整湿度，或在不希望加湿的情况下避免这种加湿。但因为这种旁路在加湿器方面的现有技术中公知，所以对此不再赘述。

图2现在示出燃料电池系统1的一种可选的实施例。相同的部件在此方面具有相同的附图符号并具有与图1中的类似部件可对比的功能。因此下面仅涉及图2的燃料电池系统1与到目前所介绍内容的区别。图2的燃料电池系统1与图1的燃料电池系统1相比基本上具有一个区别。该区别在于，阳极区4的废气不进行循环，而是该废气在进气空气侧直接进入置换装置12内。燃料电池2在图2的实施例中因此不利用阳极回路操作，而是利用仅由氢通过的阳极操作，其中，一定程度过剩的氢作为废气从阳极区4重新释放。从现有技术中同样公知的这种结构通常与将阳极区划分成不同的有效（active）分区相结合，其中，在氢的流动方向上依次的分区具有依次减小的有效面积，从而剩余的氢流可以尽可能进行转换，而无需提供未被利用的有效面积。在使用这种级联化的阳极区4方面，在从氢储存装置7供给燃料电池2纯氢时，在此方面可以仅具有3–5%非常低的过剩氢。这种过剩的氢然后作为废气从阳极区4排出并在经使用的空气侧进入置换装置12和在这里进入催化材料13的区域内。现在如图1的实施例中那样，利用那里已经提到的所有选择方案进行氢的可比较的转换。

最后还要强调的是，根据图2的设置的燃料电池系统1可以具有其他公知和常见的部件。例如在这里需要重新提及环绕置换装置12的旁路，该旁路可以上述结构类似的方式使用。此外在置换装置12与涡轮16之间的区域内的排放空气流中可以具有脱水器，以防止液滴进入涡轮16的区域内而可能地损坏其部件。在其他方面，两种实施例不言而喻可以通过将所介绍的燃料电池系统的部件简单互换而彼此组合。例如可以设想具有涡轮16的结构与再循环管路9的结构相组合。同样可以设想在燃料电池系统1内，如通过图2所示那样，取消涡轮16。

Claims (8)

1.一种包括至少一个燃料电池的燃料电池系统(1)，该燃料电池包括阴极区和阳极区，所述燃料电池系统具有置换装置，该置换装置在一方面被向所述阴极区流动的进气空气流通过以及在另一方面被从所述阴极区释放的经使用的空气流通过，以及在所述置换装置内，热从所述进气空气流传递到所述经使用的空气流并且同时水蒸汽从所述经使用空气流传递到所述进气空气流，所述燃料电池系统具有压缩机，涡轮至少以支持方式驱动所述压缩机，所述涡轮被在所述置换装置下游的所述经使用的空气流通过，以及所述燃料电池系统具有在所述涡轮上游的催化材料，向该催化材料输送含有燃料的气体，其特征在于，所述催化材料(13)在经使用的空气侧与所述置换装置(12)集成，其中，来自阳极区(4)的废气被输送到所述置换装置(12)的所述经使用的空气侧；向所述置换装置(12)的所述经使用的空气侧输送附加的燃料作为含有燃料的气体，以及所述置换装置(12)至少部分地具有蜂窝状结构，

所述置换装置(12)被逆流通过，其中，所述催化材料(13)被设置在所述经使用的空气侧的这样的区域中，在该区域中所述经使用的空气流从所述置换装置(12)流出以及所述进气空气流流入所述置换装置(12)以及

热屏蔽具有所述催化材料(13)的区域与所述置换装置(12)的进气空气侧。

2.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，所述催化材料(13)被以涂层的形式引入所述置换装置的所述经使用的空气侧。

3.根据权利要求1或2所述的燃料电池系统，其特征在于，所述附加的燃料是氢。

4.根据权利要求1或2所述的燃料电池系统，其特征在于，所述阳极区(4)被氢或含氢气体通过，其中，所述阳极区(4)的输出端被连接到所述置换装置(12)的在所述经使用的空气侧的输入端。

5.根据权利要求4所述的燃料电池系统，其特征在于，所述阳极区(4)由多个串联连接的段组成，沿所述阳极区(4)中的氢或含氢气体的流动方向，每个段的有效面积小于前面的段的有效面积。

6.根据权利要求1或2所述的燃料电池系统，其特征在于，所述阳极区(4)被氢通过，其中，所述阳极区(4)的输出端通过再循环管路(9)和输送装置(10)与所述阳极区(4)的输入端连接，其中，所述再循环管路(9)通过能够开关的阀门装置(11)与所述置换装置(12)的在所述经使用的空气侧的输入端连接。

7.根据权利要求1、2以及5中任一项所述的燃料电池系统，其特征在于，所述压缩机(6)由电机(17)驱动，其中，在所述涡轮(16)上功率过剩的情况下，所述涡轮(16)驱动发电机模式的所述电机(17)以产生电力。

8.根据权利要求1到7中任一项所述的燃料电池系统的用途，其特征在于，所述燃料电池系统被用于运输装置中以产生用于驱动所述运输装置和/或用于所述运输装置的辅助耗电器的电力。