CN102612779A - 在阳极回路中具有液体分离器的燃料电池系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种燃料电池系统（1），其具有阳极回路（9），借助于该阳极回路可以把未消耗的气体从燃料电池（2）的阳极区域（3）经过再循环输送装置（11）送回阳极区域（3）中。在阳极回路（9）中布置有至少一个液体分离器（8）。该液体分离器（8）在结构上与再循环输送装置（11）集成为一个结构单元。通过把氢气供应给液体分离器（8）来进行新鲜氢气向阳极区域（3）中的输入。

Description

在阳极回路中具有液体分离器的燃料电池系统

技术领域

本发明涉及一种按照在权利要求1的前序部分中详细定义的类型的燃料电池系统，其具有阳极回路。

背景技术

由普遍的现有技术已知了在燃料电池系统中会设置阳极回路，借助于该阳极回路，来自燃料电池的阳极区域的未消耗的排气可以进行再循环并和新鲜的氢气一起被再次输入燃料电池的阳极区域。为了弥补在阳极区域中出现的压力损失，在这种阳极回路的区域内再循环输送装置是必须的。原则上，该再循环输送装置可以由鼓风机、压缩机等组成。然而也可设想以下述方式构造该再循环输送装置，即流入的新鲜的氢气以气体喷射泵或射流泵的形式抽吸再循环的气流。也可设想这种再循环输送装置的组合。

然而，现在典型地使用一鼓风机作为再循环输送装置。为了能安全且可靠地运行这种鼓风机，以及尤其在所述系统关断时避免在鼓风机的区域中液滴的冻结并进而阻塞鼓风机叶轮，由现有技术WO2006/056276A1已知了，在再循环输送装置之前和之后都布置有液体分离器。它们可以相互如此连接，即在大地测量学上位置较高的水分离器把其分离的水导入例如第二水分离器的区域中或其输入管路中。在这种构造中，新鲜氢气的输入以典型的方式方法在再循环输送装置和第一水分离器之间进行。这样做的缺点在于，在这两个构件之间的管路长度中冷凝出液滴且液滴可能流回阀和/或再循环输送装置的区域中。如果现在这种燃料电池系统在低于冰点的温度下关断，那么可能会使冷凝出的水结冰并在重新启动时导致功能故障或不密封性。

此外，由DE 10 2007 033 203A1已知了，把分离器与再循环输送装置连接成一个结构单元。为了利用再循环输送装置的转动运动来分离液滴并整体上尽可能简单且高效地形成该结构，尤其建议这一点。在此，该文献中还描述了并行存在的第二分离器，其对应于之前描述的文献中位于再循环输送装置之后的分离器。沿流动方向在再循环输送装置之前把分离器内置在再循环输送装置的入流区域中的缺点在于，极多的水出现在再循环输送装置的区域中，因此这里同样存在结冰的危险。

发明内容

因此，本发明的目的在于，提出一种根据权利要求1的前序部分所述的、具有阳极回路的燃料电池系统，该燃料电池系统避免了上述缺点且提供了阳极回路的简单、安全且可靠工作的结构。

根据本发明，该目的通过权利要求1的特征部分所述的特征实现。其它从属权利要求给出本发明的有利的设计方案和改进方案。

通过把新鲜的被输入的氢气导入液体分离器的区域中实现了，残留在气流中的液体——该液体通过新鲜（氢气）且由于该新鲜（氢气）高压的减小而从通常极冷的新鲜气体中冷凝出——立即在液体分离器中冷凝并进而可以留在该液体分离器中。在这种结构中，液体分离器在结构上与再循环输送装置集成在一起。从而阻止了，向管路元件供给冷凝出的、可能会结冰的液体。通过与再循环输送装置集成为一个集成的结构单元，还可实现极其紧凑的结构。

在根据本发明的结构的一特别有益且有利的改进方案中，与再循环输送装置集成在一起的液体分离器沿再循环气流的流动方向布置在再循环输送装置之后。由此实现了，新鲜输入的氢气流不必被引导通过再循环输送装置，且实现了在液体分离器中初级分离被冷凝出的水。

此外，在本发明的一相应有利的改进方案中，在阳极回路中设有第二液体分离器，该第二液体分离器与第一液体分离器连接，其中，第二液体分离器沿再循环气流的流动方向布置在再循环输送装置之前。由此实现了，在第一液体分离器中仅必须分离出通过新鲜的氢气流冷凝出的液体，而由阳极区域释放出的液体例如可以在第二液体分离器中分离。这种结构能够使产品水（其可以是在再循环的气流中最大量的被分离的水）在达到再循环输送装置之前被分离，从而不必耗费能量地通过再循环输送装置输送该产品水。在再循环输送装置之后，在与再循环输送装置集成在一起的液体分离器中分离出由于输入的新鲜氢气和利用该新鲜氢气进行的降温而冷凝出的一部分液体，且该结构实现了一种始终干燥地工作的再循环鼓风机，从而在此不存在鼓风机结冰的危险。通过使液体分离器彼此连接，足够使得能利用一个唯一的具有阀装置的管路元件把水从阳极回路中排出，从而在此可以省去——尤其在供给氢气方面极难密封的——接口。

此外，在本发明构思的一特别有益且有利的改进方案中，还可以将两个液体分离器与再循环输送装置一起作为集成的结构单元。这种结构尤其紧凑。与周围的管路元件相比，该结构由于集成的结构单元的相对较大的质量而较缓慢地冷却，因此最小化了在结构单元的区域中冷凝出液体的危险。此外，可以省去其它接口和管路元件，这一点尤其在要相对管路元件中的氢气密封的接口方面显示出成本和安装上的显著优点。

根据本发明的燃料电池系统使得能够实施一种阳极回路，其即使在温度低于冰点时也可靠地工作且同时最小数量的接口和结构部件就足够了。这种简单的、价廉的和可靠的结构注定用于应用在车辆中。因此，根据本发明的燃料电池系统的优选应用在于：该燃料电池系统用在车辆中，用以为行驶驱动装置和/或辅助负载（Nebenverbraucher）供应电能。

附图说明

根据本发明的燃料电池系统的其它有利的设计方案由其余的从属权利要求得到，并借助于后文参考附图进行解释的实施例而变得明确。

附图示出：

图1示出强烈示意性简化示出的带有具本发明部件的阳极回路的燃料电池系统；以及

图2示出根据本发明的液体分离器的一实施形式。

具体实施方式

图1中可以看到燃料电池系统1，其核心由燃料电池2形成，该燃料电池2具有阳极区域3和阴极区域4，且该燃料电池例如可以构造为PEM（质子交换膜）燃料电池组。通过空气输送装置5把空气作为含氧气体输入至阴极区域4。从阴极区域4流出的空气可以直接或者通过这里未示出的部件例如燃烧器、涡轮机等排放至环境。

向阳极区域3供给来自压缩气体存储器6的氢气，氢气在高压下以气态存储在该压缩气体存储器6中。氢气经过截止阀7（在该截止阀7的区域中氢气被减压/降压）流入阳极区域3中的随后还要详细描述的液体分离器8中。阳极回路9中的未消耗的剩余气体通过第二液体分离器10和再循环输送装置11从阳极区域3到达水分分离器/聚水器8的区域中，并且可以在那里与来自压缩气体存储器6的新鲜氢气混合并流回阳极区域3中。

燃料电池系统1的该强烈简化地示出的结构例如可以应用在这里仅示意性示出的车辆12中，从而为其行驶驱动装置和/或辅助负载供应电能。

图1的燃料电池系统1的阳极回路9的结构的特殊性在于使用了两个液体分离器8、10。在此，液体分离器8也可以称为水分分离器/聚水器，而第二液体分离器10形成主分离器。由于再循环的气流在阳极回路9中的流动方向，所以再循环的气流首先到达主分离器10。现在情况是这样的，在燃料电池2中产品水首先出现在阴极区域4中并通过排出空气被带走。然而，一部分产品水也在阳极区域3中产生并相应地通过再循环的气流被带走。这里在主分离器10处这种水被分离，以便阻止液滴到达典型地设计为再循环鼓风机的再循环输送装置11的区域中。具有阀14的管路元件13从主分离器10通至环境中或者通至阴极区域4的送入空气中，从而可以不时地把聚集在主分离器10中的水排出。此外，主分离器10可以具有本身已知的且常见的防溅结构，从而使聚集在主分离器10中的水不会返回到阳极回路9的管路的区域中。

所述这样在主分离器10的区域中摆脱了液滴的氢气到达再循环输送装置11中并由那里到达水分分离器8的区域中。所述摆脱了液滴的氢气在水分分离器8的区域中与来自压缩气体存储器6的新鲜流入的氢气混合。因为新鲜流入的氢气由于在减压时的冷却而相对较冷，所以从再循环输送装置11后的相对较暖和潮湿的气流中冷凝出另外的水。该另外的水聚集在水分分离器8中，该水分分离器8同样可以设计为，使得可以通过相应的防溅结构19等阻止水朝着再循环输送装置11的方向向后以及朝着阳极区域3的方向向前侵入。此外，如从图1的图示中可以看出的那样，还可以在水分分离器8和主分离器10之间设置连接部15。该连接部15尤其可以具有横截面收缩部，以便避免或减小被压缩的气体向主分离器的区域中的回流。然而，通过连接部15可以使聚集在水分分离器8中的水被送出至主分离器中，从而仅需一个管路元件13和一个阀14以排出所有聚集在阳极回路9中的水。由此显著减少了结构部件的数量以及尤其减少了在引导氢气的管路中总需极费力地密封的接口的数量。

现在，两个水分离器8、10中的至少一个，在此是水分分离器8，与再循环输送装置11一起设计为集成的结构单元16。从图2可以看到该集成的结构单元16。该结构被强烈简化地示出。其主要包括再循环鼓风机11，该再循环鼓风机11具有叶轮17和用于叶轮17的典型地电动的驱动装置18。此外，该集成的结构单元16还具有水分分离器8，这里以按照原理的横截面示出该水分分离器8。像通过箭头示出的那样，气流从主分离器10的区域流入叶轮17的区域内，并由叶轮17输送至水分分离器8的区域中。在那里气流和来自压缩气体存储器6或截止阀7的区域的、在较低的大地测量学高度上流入的新鲜氢气混合。如此混合的气流通过合适的用于防溅保护的内装件19——其例如可以由这里按照原理示出的冲击板片和/或编织物组成——在留下了在气流中冷凝出的液滴的情况下到达水分分离器8的上部中，并在那里可以朝着阳极区域3的方向流出。通过使新鲜氢气在水分分离器8正常/按规定使用时流入具有极低的大地测量学高度的区域中、且来自叶轮17区域的再循环的气流在相对较高或稍高的大地测量学高度上流入、以及混合的气流朝着阳极区域3的方向在明显更高的大地测量学高度上流出，可以相对较安全且可靠地实现，冷凝的液滴留在水分分离器8的区域内而不被带到阳极区域3中，在阳极区域3中液滴可能会阻塞通向膜片的气体导入通道，并在温度低于冰点时由于形成冰而造成阻塞。

此外，水分分离器8在上部区域中具有两个连接端20，连接端20例如可以用作用于压力传感器的连接端和用于压差传感器的连接端。通过这种集成的结构可以实现一种相应的结构单元16，该结构单元16简单且高效地工作并且相应少的接口就足够了。在此，尤其在当温度低于冰点时的运行方面该结构单元16是相对可靠的，这是因为可以在很大程度上避免特别是叶轮17的冻结和位于结构部件之间的可能的管路元件的冻结。

除了如图2所示的实施例外，当然还可以设想，主分离器10也集成在结构单元16中，例如主分离器10布置在水分分离器8下面，而在这种情况下电动驱动装置18被移置到叶轮下方，从而实现了极其紧凑的集成的结构单元16。

Claims (10)

1.一种具有阳极回路的燃料电池系统，所述阳极回路把未消耗的气体从燃料电池的阳极区域经过再循环输送装置送回所述阳极区域中，其中，在所述阳极回路中布置有至少一个液体分离器，所述液体分离器在结构上与所述再循环输送装置集成为一个结构单元，其特征在于，新鲜氢气向所述阳极区域（3）中的输入通过把氢气供应给所述液体分离器（8）来进行。

2.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，与所述再循环输送装置（11）集成在一起的所述液体分离器（8）沿再循环气流的流动方向布置在所述再循环输送装置（11）之后。

3.根据权利要求1或2所述的燃料电池系统，其特征在于，在所述阳极回路（9）中设有第二液体分离器（10），所述第二液体分离器与第一液体分离器（8）形成有连接部（15），且所述第二液体分离器沿再循环气流的流动方向布置在所述再循环输送装置（11）之前。

4.根据权利要求3所述的燃料电池系统，其特征在于，通过所述连接部（15）把液体从所述第一液体分离器（8）引导至所述第二液体分离器（9）中。

5.根据权利要求3或4所述的燃料电池系统，其特征在于，两个液体分离器（8、10）在所述再循环输送装置（11）中实施为集成的结构单元（16）。

6.根据权利要求1至5中的一项所述的燃料电池系统，其特征在于，新鲜氢气进入所述第一液体分离器（8）中的输入处布置在一在正常使用中比混合气流向所述阳极区域（3）的继续输送处低的大地测量学高度上。

7.根据权利要求6所述的燃料电池系统，其特征在于，所述再循环气流进入所述第一液体分离器（8）中的输入处在正常使用中布置在一位于新鲜氢气的输入处与混合气流的继续输送处之间的大地测量学高度上。

8.根据权利要求4至7中的一项所述的燃料电池系统，其特征在于，来自所述阳极回路（9）的区域的所有液体通过具有至少一个阀装置（14）的管路元件（13）从所述第二液体分离器（10）的区域被排出。

9.根据权利要求1至8中的一项所述的燃料电池系统，其特征在于，所述液体分离器（8、10）中的至少一个具有防溅结构（19）。

10.根据权利要求1至9中的一项所述的燃料电池系统用在车辆（12）中用以对行驶驱动装置和/或辅助负载进行电能供应的应用。

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