CN102318119A - 包括至少一个燃料电池的燃料电池系统 - Google Patents

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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)还包括置换装置(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流通过。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且同时水蒸汽从经使用的空气流传递到进气空气流。依据本发明，置换装置(12)在进气空气侧的至少一部分具有催化材料(13)。此外，向置换装置(12)的进气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
DE 102007003144A1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经使用的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。
另一种现有技术参见DE 10115336A1。该文献也示出一种燃料电池系统，尽管不具有与上述文献的功能单元或置换装置可比较地形成的装置。但DE 10115336A1关注的是在循环引导阳极废气时必须随时从阳极回路(cycle)的区域排出的含氢废气的处理。该文献对此提出，含氢气体输送到向燃料电池的阴极区的进气空气的区域内，从而该气体与进气空气的氧在催化剂处(特别是在阴极的区域内在任何情况下存在的催化剂处)产生反应。
来自燃料电池阳极区的含氢废气的这种剂量在反应期间形成的温度方面对到燃料电池的阴极区的进气空气的处理产生不利影响。此外，如果允许在电池自身处的催化剂的区域内进行反应，那么由此使燃料电池更快老化。因此该结构的缺点是，它在其使用上极为受限，特别是为了不让上述缺点加剧的在含氢废气可转换的量方面同样极为受限。该使用因此伴有重大缺点，由于为将缺点降到最低限度而限制含氢的废气的量，该使用被限制到以用于具有阳极再循环回路的结构。
发明内容
本发明的目的在于，对燃料电池系统进行如下改进，使得可以转换含氢废气，因此在燃料电池系统内其可被有利地使用，并避免上述缺点。
该目的根据本发明通过权利要求1所述的特征得以实现。
通过将催化材料设置在置换装置的进气空气侧，来自阳极区的废气在置换装置内被转换。这样做的优点是，置换装置内可以装入特殊的催化剂，由此消除在阴极区内的氢和氧的反应。因此可以避免对燃料电池老化的不利影响。此外，在置换装置内对到燃料电池的阴极区的进气空气进行处理。因此从阳极区的废气向置换装置的输送对从该置换装置向燃料电池的阴极区流动的进气空气没有影响或没有不可校正的影响。在催化材料的区域内，进气空气的温度虽然有所提高，但因为进气空气在向阴极区继续流动之前首先在置换装置的区域内被冷却，所以这对进气空气没有不利影响。确切地说，热将加热冷却进气空气的经使用的空气流。这是一个主要优点，例如，对于在来自经使用的空气流的热被以不同的方式使用的情况下，或在需要防止液态水随同经使用的空气流从燃料电池系统排出的情况下。
此外，在含氢废气在置换装置的催化材料区域内转换时产生一定量的水或水蒸汽。该水蒸汽与通过置换装置从经使用的空气流传递到进气空气流上的水蒸汽共同用于燃料电池或这种燃料电池内典型使用的聚合物电解质膜片(PE膜片)的加湿，该膜片将阴极区与阳极区分开并以本身公知的方式提供燃料电池的功能。
在根据本发明的燃料电池系统一种特别有益的设置中，由此，来自阳极区废气的输送以受控和/或受调节的方式进行。特别是在使用具有阳极废气再循环的燃料电池系统时，从阳极区向置换装置的进气空气侧的废气的输送在时间上和/或量在一定限制内可以被控制或被调节。因此，在例如没有足够的经使用的空气流可供用于冷却产生的热的不利时间点上，可以延迟向置换装置的废气输送。这样可以避免不利的操作状态并可以实现燃料电池系统得到改进的操作引导。
在根据本发明的燃料电池系统另一种特别有益的设置中，可以向置换装置的进气空气侧输送燃料，特别是氢。通过可选的燃料，特别是燃料电池系统中本来就存在的氢的这种输送，可以实现燃料电池系统的进一步的灵活性。进一步的燃料向该置换装置的进气空气侧区域中的输送，以及由此的向催化材料区域中的输送，在需要更高加湿量的情况下可以始终进行，因为所输送的燃料与氧反应而生成水蒸气。此外，这种可选的输送在经使用的空气流内需要更大热量的情况下进行，例如在利用废热时或为蒸发经使用的空气流中更大量的液态水，这种水不应以液体形式从系统排出。
在根据本发明的燃料电池系统一种特别有益和有利的进一步发展中，进气空气通过在置换装置上游设置的压缩机输送，其中，涡轮至少以支持模式(supporting manner)驱动压缩机，该涡轮由置换装置下游的经使用的空气通过。具有以内燃机上常见的涡轮增压器的形式而至少以支持方式驱动压缩机的涡轮的这种结构，允许经使用的空气流中的废热与残余的压力能被利用。如果通过根据本发明的燃料电池系统的结构，将附加的热引入经使用的空气流内，那么这种附加的热在涡轮内被重新转变为机械能，从而燃料电池系统总体上具有更少的寄生能耗，并因此允许更高的效率。
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可选的实施方式。
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。在燃料电池内形成有阴极区3和阳极区4，这里示出的实施例中这些区域通过PE膜片5相互隔开。在图1所示的示例实施例中，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，例如压缩气体储存器和/或混合储存器的氢。原则上也可以设想供给燃料电池2以含氢的气体，该气体例如由燃料电池系统区域中的含碳氢化合物(hydrocarbon)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DE 102007003144A1所公开的结构和功能。
在这里的示例实施例中，除了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的阳极区4的再循环管路9。氢正如已经提到的那样，随时通过排放阀11排出。这种也称为净化气体(purge gas)的含氢废气在进气空气侧进入置换装置12。废气或废气内所含的氢在催化材料13的区域内与进气空气中的一部分氧进行反应。在此方面产生热和水蒸汽形式的水。水蒸汽在这里特别具有优点，因为它支持燃料电池2的进气空气流的加湿并因此阴极区3的加湿。产生的热在进气空气的区域内是不希望的。但通过置换装置12的结构，这种热可以直接传递到来自燃料电池2的阴极区3的经使用的空气流并相对于置换装置12提高其温度，而无需催化材料和附加输送来自阳极区4的废气。但在向环境排放经使用的空气时，这一点不是缺点，因为在这里本来就希望比较热的经使用的空气，以便将经使用的空气流内始终还含有的水蒸汽形式的水排放到环境并因此防止液态水随经使用的空气共同排出。
催化材料13例如可以活性催化散料(part)的形式引入到置换装置12内的进气空气侧。但特别有益的是，置换装置12在其进气空气侧的区域内涂敷有催化材料13。在此方面原则上可以设想，置换装置12的整个进气空气侧的表面被涂敷有催化材料13，在此方面仅需注意，具有催化材料的涂层不妨碍从经使用的空气向进气空气传递水蒸汽。但这一点通过具有催化材料13的涂层的对应孔尺寸等等达到。但作为备选，催化材料13也可以仅设置在置换装置12的进气空气侧的区域内，也就是进气空气从压缩机6流入置换装置12的区域内。该区域在此方面是指置换装置12的进气空气侧的某个段，例如置换装置12置换表面的约1/8到1/4。在这种结构中可以设想，在催化材料13的区域内可以取消两个流之间的材料交换。置换表面的其余区域足以将相应大量的水蒸气从经使用的空气传递到进气空气。具有催化材料13的区域然后仅用于催化反应阳极区4的废气内存在的氢以及将由此产生的热传递到从置换装置12流出的经使用的空气流。
附加地，可以在进气空气侧向置换装置12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，被引入到置换装置12前面的进气空气的输入管路内，正如通过图1原则上表示的那样。备选地，还可以设想，废气和/或氢直接被引入到置换装置12内，在这里特别地，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水蒸汽。这种附加的水蒸汽可以在确定的操作状态下使用，以改善进气空气流的加湿，并因此预防燃料电池2的PE膜片干燥。作为对此的备选，也可以可选地附加输送氢来相应影响在置换装置12内产生的热，从而例如在特定情况下以限定的方式加热经使用的空气，以便相应利用其里面存在的废热和/或避免液态水随同经使用的空气流排出。
根据图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的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相比基本上具有两个区别。第一区别在于，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排出并在进气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。
图2的燃料电池系统1的第二区别在于，经使用的空气通过置换装置12后面的涡轮16并与此同时将其所含有的压力能以及特别是这里所含有的废热大部分输送到涡轮16。涡轮16在此方面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。因为大多数的操作状态下通过涡轮16提供的能量不足以操作压缩机6，所以该压缩机附加与电机17耦合。通过该电机17可以附加为压缩机6提供驱动能。如果在确定的操作状态下于涡轮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。
图2燃料电池系统1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原因的残余氢的量由此不再受到限制。虽然适当尽可能多的氢在燃料电池2内转换，但图2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。通过上面已经提到的通过计量装置14和管路件15可选地添加燃料，现在也可以借助催化材料13的区域内产生的废热进行涡轮16的限定的操作。在确定的操作情况下，将附加的氢加入置换装置12的催化材料13区域内是非常有意义的，不仅是出于加湿的原因，而且也是出于涡轮16所需的经使用的空气流内的废热的原因。这种情况的实例为，燃料电池2的所要求的功率突然增高，造成压缩机6的功率相应增高。在这种情况下，通过经使用的空气流内废热量的增高，在涡轮16上提供更大的功率，其至少有助于满足在这种情况下压缩机6的功率要求。同时置换装置的区域内产生改善加湿的附加氢，而且完全是在燃料电池输出峰值功率的情况下，而已经没有相应大量的湿经使用的空气可供加湿进气空气使用。
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之间的区域内的经使用的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 (12)

1.一种包括至少一个燃料电池的燃料电池系统，所述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，所述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的空气流传递到所述进气空气流，其特征在于，所述置换装置(12)的在进气空气侧的至少一部分具有催化材料(13)，以及向所述置换装置(12)的所述进气空气侧输送来自所述阳极区(4)的废气。
2.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，来自所述阳极区(4)的废气被以受控和/或受调节的方式输送。
3.根据权利要求1或2所述的燃料电池系统，其特征在于，在所述进气空气侧向所述置换装置(12)输送燃料，特别地，氢。
4.根据权利要求1、2或3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到所述置换装置(12)的进气空气侧。
5.根据权利要求1到4中任一项所述的燃料电池系统，其特征在于，所述置换装置(12)至少部分具有蜂窝状结构。
6.根据权利要求1到5中任一项所述的燃料电池系统，其特征在于，所述置换装置(12)基本上被以逆流方式通过，其中，所述催化材料(13)优选被设置在这样的区域中，在所述区域中所述进气空气和所述废气流到所述置换装置(12)中以及所述经使用的空气从所述置换装置(12)流出。
7.根据权利要求1到6中任一项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)的在进气空气侧的输入端。
8.根据权利要求7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。
9.根据权利要求1到6中任一项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)与阳极区(4)的输入端连接，其中，所述再循环管路(9)通过可开关的阀门装置(11)与所述置换装置(12)的进气空气侧的输入端连接。
10.根据权利要求1到9中任一项所述的燃料电池系统，其特征在于，通过设置在所述置换装置(12)上游的压缩机(6)输送所述进气空气，其中，涡轮(16)至少以支持方式驱动所述压缩机(6)，该涡轮由所述置换装置(12)下游的所述经使用的空气通过。
11.根据权利要求10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)驱动处于发电机模式的电机(17)以产生电力。
12.根据权利要求1到11中任一项所述的装置的用途，其特征在于，所述装置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。
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