CN102763257B - 具有至少一个燃料电池的燃料电池系统 - Google Patents

Abstract

燃料电池系统（1）具有至少一个燃料电池（2）。该燃料电池系统此外包括向燃料电池（2）输送过程空气流的至少一个空气输送装置（6）。最终，还提供至少一个换热器（16），空气输送装置（6）下游的过程空气流通过该换热器的一侧以及冷却介质流通过该换热器的另一侧。依据本发明，在过程空气流的流动方向上在换热器（16）的上游或在换热器内设置具有催化活性材料（22）的区域。还可以向包含催化活性材料（22）的区域输送燃料。

Description

具有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权利要求1前序部分详细定义类型的具有至少一个燃料电池的燃料电池系统。本发明此外涉及这种燃料电池系统的应用。

背景技术

燃料电池系统本身从现有技术中有所公开。燃料电池在此方面经常通过空气输送装置提供过程空气流。这样的过程空气流为了向燃料电池的阴极区供给大气氧而流过该燃料电池。向燃料电池输送的空气通过空气输送装置，例如流动压缩机、螺旋压缩机、鲁茨（Root）鼓风机或类似装置进行压缩并由此相应加热。在PEM燃料电池在燃料电池系统内被使用时，过程空气的这种加热会加速燃料电池内相对敏感的膜迅速干燥。因此在这种类型的燃料电池系统中通常具有作为增压（charge）空气冷却器的换热器，其由空气输送装置后面的过程空气在一面上通过并由冷却介质，例如来自燃料电池区的相对凉的废气在另一面通过，以便冷却空气输送装置后向燃料电池流动的过程空气并由此提高燃料电池的使用寿命和性能。

此外从普遍的现有技术中还公知，对于燃料电池系统，而且在这里特别是对于在电动机车辆上使用的燃料电池系统来说，冷启动能力具有重要作用。为使燃料电池系统在低于冰点的温度下也可以安全、可靠和特别是非常迅速地启动，需要很高的费用。例如德国专利申请DE102008047871A1公开了通过燃料电池组冷却回路内的不同热源使其迅速加热。如果所有这些措施仍不够，那么上述专利申请提出，将氢输送到电池组的阴极侧并使其与在燃料电池的存在电催化剂的区域内的过程空气共同燃烧。因此可以在燃料电池本身的区域内产生相对高的热能。

将相对大量的氢引入燃料电池阴极区内的这种措施的严重缺点是，通过将氢输送到阴极区内，在那里存在的催化剂被用于燃烧，从而用于氢与过程空气的氧进行热转换。这一点造成由热的点发育所导致的相对高的热点，对燃料电池的使用寿命产生大的不利影响。

发明内容

本发明的目的因此在于，提供一种燃料电池系统，保证燃料电池系统非常迅速的加热，而无需考虑与燃料电池的寿命有关的上述缺点。

该目的依据本发明通过权利要求1特征部分中指出的特征得以实现。这种类型的燃料电池系统一种特别有利的用途在权利要求9中予以说明。具有优点的进一步构成来自各自的从属权利要求、

依据本发明使用一种具有换热器的燃料电池系统，该换热器作为增压（charge）空气冷却器用于冷却由空气输送装置压缩并由此加热的过程空气。依据本发明，在此方面在换热器的由过程空气流通过的区域之前或之内，设置一个具有催化活性材料的区域。此外需要时向具有催化活性材料的区域输送燃料。由此产生的可能性是，导向燃料电池的过程空气不仅可以像在传统的操作中那样得到冷却，而且需要时，在这里特别是在冷启动情况下，通过将燃料添加到具有催化活性材料的区域内通过氧和燃料的催化转换而被相应加热并在含氢燃料的情况下可以被产生的产物水湿润。因此形成一种非常简单和有效的可能性是，通过供给燃料实现过程空气并因此燃料电池和燃料电池系统的加热。通过在换热器的区域之前或之内设置为此专门设计的催化剂，不在燃料电池本身的区域内，而是在其外部产生热量。热量然后由过程气流带入燃料电池的区域内。与燃料电池寿命有关的缺点，如从现有技术的结构中公知和常见的那样，由此可以得到防止，因为在燃料电池自身的区域内没有燃料到达其阴极区内和必须相应转换。燃料电池系统自身这样可以非常迅速地达到操作温度，特别是对于设置在空气供给区域内的所有部件。

作为增压空气冷却器使用的换热器在此方面原则上可以由任何类型的冷却介质在冷却侧上通过。该换热器例如可集成在冷却回路中，从而在空气输送装置之后的加热的过程空气由冷却回路的冷却介质冷却，所述冷却回路例如也冷却燃料电池。在这种情况下，在换热器之前或内部通过燃料与氧的催化转换产生的热通过该换热器不仅加热过程空气流，而且也加热冷却介质流，从而其加热冷却回路并通过该冷却回路并附加地有助于更加迅速地加热燃料电池系统。

在依据本发明的燃料电池系统一种有利实施例中，具有催化活性材料的区域与换热器集成。催化活性材料与由换热器的由过程空气流通过的侧的该集成由此有助于产生非常紧凑的结构，因为换热器的部件既作为增压空气冷却器使用，也用于–需要时–在其由过程气流通过的侧上的物质的催化转换。

在依据本发明的燃料电池系统一种优选发展中，换热器在其由过程气流通过的区域内由催化活性材料完全或部分涂敷。该用催化活性材料对换热器的涂敷可以相对简单。因此可以最小使用催化活性材料，例如铂或钯取得空气和燃料相应有效的催化转换。与具有催化活性材料的颗粒物或这类材料同样可以设想的浇注（pouring）不同的是，几乎消除了污物到燃料电池的区域内的引入，意味着会引起不必要的压力损失的过滤元件或这类部件将不再必要。

在依据本发明的燃料电池系统的一种非常有利和具有优点发展中，冷却介质流是来自燃料电池阴极区的废空气流。

这种优选的结构将来自常规操作的燃料电池的阴极区的相对凉的废空气用于冷却空气输送装置之后的加热的用于燃料电池的过程空气。因为在相应的冷启动条件下，过程空气的压缩不足以将其足够强地加热以防止液体凝结和/或该液体冻结，依据本发明在换热器的区域之前或之内设置具有催化活性材料的区域，以便通过添加燃料加热向燃料电池流动的过程空气流。该热现在对于在这种操作状态下同样还比较凉的废空气流也是有益的。废空气流由此可以相应得到加热并防止排放管路或例如设置在废空气流内的涡轮机由于凝结或冻结的液滴而冻结。在燃料电池系统的冷启动期间通过换热器区域内的催化活性材料而引入热量，这因此也用于以理想方式保证燃料电池系统在废空气侧上的操作能力。

依据本发明的燃料电池系统具有的优点是，其具有非常紧凑和简单的结构并提供一种在极低环境温度情况下仍可以简单和有效启动的燃料电池系统。这种类型的燃料电池系统的优选用途因此为用于提供与燃料电池系统共同形成运动系统的运输装置的电能。特别是在这种类型的运动系统中，非常频繁地在恶劣的条件下，特别是冰点以下的温度下启动。特别是在这种类型的系统中，在此方面系统的迅速启动是必不可少的，因为例如在作为运输装置的汽车中采用时，这样的迅速启动是汽车的用户所期望的。确实，在采用传统的驱动系统的汽车上存在类似状况且这种状况公知且常见。依据本发明的燃料电池系统因此特别是在这种类型的结构上可以充分发挥其优势。

附图说明

依据本发明的装置的其他有利实施例来自其余从属权利要求并借助实施例将变得清楚，下面参照附图对该实施例进行详细说明。其中：

图1示出依据本发明的燃料电池系统第一可能的实施例；

图2示出依据本发明的燃料电池系统另一可能的实施例；以及

图3示出依据本发明的燃料电池系统另一备选实施例。

具体实施方式

从图1的图示中可以看出燃料电池系统1。例如被构建为PEM燃料电池组的燃料电池2形成燃料电池系统1的核心。由此，燃料电池2的阴极室3和阳极室4通过质子交换膜5彼此隔开。作为使燃料电池2操作的氧化方式，典型地使用空气中的氧，为此将空气通过空气输送装置6输送到阴极室3内。向阳极室4输送氢或含氢的气体。在这里所示的实施例中，向燃料电池2的阳极室4输送来自压缩气体存储元件7的氢。在该压缩气体存储元件7内在高压下存储的氢通过阀门装置8输送到阳极室4并由此膨胀到适合于燃料电池2操作的压力水平上。在使用纯氢作为燃料电池2的燃料时，将该纯氢以典型地在燃料电池2的阳极室4内可转换的相比更高的体积流量提供给阳极室4。这用于向质子交换膜5的可用的全部活性表面尽可能稳定地提供足够量的氢。未使用的氢然后从阳极室4通过再循环管线9排出并借助再循环输送装置10（例如氢再循环鼓风机和/或气体喷射泵或诸如此类的装置）与来自压缩气体存储元件7的新鲜的氢一起重新输送到阳极区4。随着时间在再循环管线9的区域内聚集氮，其穿过膜5进入阳极室4内，同时也聚集少量的产物水，其出现在燃料电池2的阳极室4内。因为这些惰性物质在燃料电池内不能转换，所以它们随着时间降低再循环管线9和阳极室4体积内的氢浓度。因此，不时地，在再循环管线9的区域内发现的物质通过排放管线11和设置在其中的阀门装置12排出，以便可以保持阳极室4内的氢浓度。由此，特定量的剩余氢总是会通过排放管线11排出系统。因此普遍公知和常见的是,排放管线11通向过程空气流的区域内，以便这样在燃料电池2的阴极区3内转换任何剩余的氢并防止氢排放。虽然在排出（所谓的清洗）期间出现极少量的剩余氢，几乎不必担心任何与燃料电池2的寿命有关的缺点。

燃料电池2的膜5对干燥相对敏感。因为通过空气输送装置6输送的空气体积流典型地是干燥的，所以相应高的空气体积流加速膜5的干燥。因此燃料电池系统1内可以具有加湿器13，其例如作为气体-气体加湿器形成。这种加湿器13的核心由水蒸汽可以透过的膜构成。膜的一侧上流动由空气输送装置输送的干燥气流。膜的另一侧上流动来自燃料电池2的阴极室3的废空气流。因为大部分的产物水在燃料电池2的阴极室3内产生，所以该废气流相应夹带水蒸汽和水滴形式的液体。水蒸汽可以穿过加湿器13内的膜而加湿干燥的进气，从而一方面对废空气除湿和另一方面通过加湿的进气可以确保燃料电池2膜5的加湿。因为不是任何情况下均希望加湿2，所以此外可以围绕加湿器13，在这里例如在进气管线到阴极室3的区域内，但原则上也可以类似地在阴极室3的排放管线区域内,设置旁路14。可以通过阀门装置15这样控制该旁路14，使通过加湿器13流动的待加湿的体积流被相应分配。因此在阴极室3的区域内取得可调整的湿度。

图1中燃料电池系统1的结构附加示出作为增压空气冷却器的换热器16，其同样一方面由在空气输送装置6之后的进气通过和另一方面由来自阴极室3的废空气通过。在空气输送装置6之后，所输送的空气相应变热，因为这些空气在压缩时得到相应加热。另一方面，来自阴极室3的废空气较冷。通过增压空气冷却器16，在这两个气流之间现在进行换热，从而向阴极室3输送的空气被冷却，从阴极室3排出的空气被加热。通过在空气输送装置6之后的冷却空气，进一步减少燃料电池的膜5干燥的危险。

来自增压空气冷却器16的加热废空气然后流动到涡轮机17的区域内并在该涡轮机17的区域内膨胀和冷却。由此通过涡轮机17回收来自燃料电池系统1废气流的机械能。通过涡轮机17，在这里所示的实施例中可以直接供给空气输送装置6机械能。此外可以具有电机18，其在涡轮机17的区域内相应能量过剩的情况下可以作为发电机操作，以便附加地从废气流中回收电能。如果空气输送装置6需要比通过涡轮机17可以提供的更多的能量，那么电机18也可以作为电动机操作。在这种情况下，电机可以提供需要的能量差用于通过空气输送装置6输送空气流。由涡轮机17、电机18和在这种结构中典型地作为流动压缩机（flowcompressor）形成的空气输送装置6组成的这种结构普遍也称为电涡轮机增压器（ElectricTurboCharger）（ETC）19。

作为补充,为改善涡轮机17的操作，在增压空气冷却器16之后的废空气流内具有可选的燃烧器，例如催化燃烧器、孔燃烧器、矩阵型燃烧器（matrixburner）或诸如此类的燃烧器，通过其可以转换燃料电池2的废气和可能的可选的燃料。由此可以加热为涡轮机17提供的废气流，以便能够通过涡轮机17产生更多的功率。

从图2的图示中现在可以观察到一种可对比的系统结构，其可以作为对上述燃料电池系统1的备选。该结构的区别基本上在于，不存在围绕燃料电池2的阳极室4的再循环管线9。在这种结构中，阳极室4因此不被供给或仅被供给少量的多余氢（在其他地方被转换，例如随后在上述可选的燃烧器内燃烧）。在图2的图示中，还可以看出具有阀门装置21的氢管线20，对其功能后面还要详细介绍。

对于图1或2所示燃料电池系统1的操作，正常操作情况典型为，通过空气输送装置6向燃料电池2的阴极室输送过程空气，而氢从压缩气体存储元件7中到达燃料电池2的阳极室4内。在燃料电池2内，然后产生电能和产物水，其通过相应的废气流从系统排出。在环境温度极低的情况下，这种类型的燃料电池系统1的操作出现问题。特别是在这种燃料电池系统1启动时，由此，如果该燃料电池系统在非常低的温度下静止，这是一个主要问题，因为冻结的部件和/或凝结的湿气（所述湿气又会冻结）,对燃料电池系统1的功能产生不利影响。图1和2的图示中的两个燃料电池系统1在换热器16的区域内包括基于例如铂和/或钯的催化活性材料。这种催化活性材料在图1和2的图示中通过换热器16的过程空气通过其流动到燃料电池2的部分的涂层22（由虚线示出）示出。通过依据图1结构情况下的排放管线11和阀门装置12或通过依据图2结构情况下的氢管线20和阀门装置21，现在可以向空气输送装置6之后的过程空气流输送燃料。在依据图2结构的情况下，燃料可以直接从压缩气体存储元件7通过阀门装置21和氢管线20流动到过程空气流的区域内。在图1所示类型的燃料电池系统1的结构情况下，流动可以通过在任何情况下存在的排放管线11和处于其中的阀门装置12实现，方式是在冷启动期间仅仅保持打开阀门装置12。只要供给阳极室4氢，在过程空气的区域内就会出现氢流动。原则上在燃料电池系统1的两种实施例中也可以设想，将燃料直接加入换热器16的区域内，而不是加入向换热器流动的过程空气流的区域内。

在两种情况下，在催化活性材料22的区域内现在过程空气流内的氧转换和通过排放管线11或氢管线20供给的燃料的转换。氧和这里所示的情况下作为燃料的氢在催化活性材料22区域内的这种转换确保加热换热器16和通过其流动的过程空气。通过这种加热，可以实现燃料电池系统1的燃料电池非常迅速的加热，而无需利用处于燃料电池2区域内的催化剂来转换开始物质。热量由此通过过程空气流相对适宜并均匀地引入。由此可以避免所描述的与寿命有关的缺点。

对在来自燃料电池2的阴极区3的废空气流所通过的另一侧上被冷却的换热器16的加热不仅加热输送到燃料电池2的过程空气流，而且也加热来自燃料电池2的废气流。因此来自燃料电池的废空气流内产物水的凝结尽可能得到避免。由此在废空气流的区域内不会出现液体的冻结水滴。这种类型的冰粒非常不利并威胁到涡轮机17，因为这些冰粒会损坏高速运转的涡轮机17的涡轮机叶轮。

在依据图1的燃料电池系统1的结构中，设置在增压空气冷却器16内的催化活性材料22的另一个优点在于，在常规操作中通过排放管线11不时排放的物质流进入该催化活性材料22的区域内。物质流内典型存在的剩余量的氢由此可以在增压空气冷却器16内进行转换并因此不使燃料电池2的阴极区3增加负担。尽管目前不能假设这样少量的氢会对燃料电池2的寿命产生不利影响，但该对具有催化活性材料22的增压空气冷却器16的附加利用却构成使用燃料电池系统1时的优点，因为这样在任何情况下均可以防止向阴极区3内输送氢。

图3示出燃料电池系统1一种可选实施例。该燃料电池系统的功能与在图2范围内所介绍的燃料电池系统1基本上相同。仅催化活性材料22在本实施例中被集成到单独的部件，例如催化燃烧器23，该部件在过程空气流的流动方向上被设置在换热器16之前。功能基本上相同，因为在该可选实施例中催化燃烧器23内在需要时加热的过程空气流通过催化燃烧器23之后的换热器16的过程空气侧并在那里发挥与集成到换热器16的催化活性材料22可比较的效果。

总而言之，这样可以实现燃料电池系统1的一种非常紧凑和非常可靠的结构，其在不危害燃料电池2的寿命情况下可以有助于非常迅速地启动燃料电池系统1。燃料电池系统1因此注定可在运输装置上用于产生电能。作为运输装置在此方面考虑水上、空中和陆地上的各种运输装置，特别是在短途、长途或后勤领域用于运输人员和货物。特别优选的用途在此方面无疑是在车辆领域，特别是在无轨的陆上车辆领域，在这些领域中，燃料电池系统用于例如为辅助动力单元和附属动力单元和/或为车辆的电驱动提供电力。

Claims (10)

1.具有至少一个燃料电池的燃料电池系统，具有向所述燃料电池输送过程空气流的至少一个空气输送装置，具有至少一个换热器，所述换热器一方面由所述空气输送装置之后的所述过程空气流通过以及另一方面由冷却介质流通过，其中在所述换热器(16)的区域之前或之内在所述过程空气流的流动方向上设置具有催化活性材料(22)的区域，以及其中向所述具有催化活性材料(22)的区域输送燃料，其特征在于，所述冷却介质流是来自所述燃料电池(2)的阴极区(3)的废空气流。

2.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，所述具有催化活性材料(22)的区域被集成到所述换热器(16)中。

3.根据权利要求2所述的燃料电池系统，其特征在于，所述换热器(16)在其由所述过程空气流通过的区域内由所述催化活性材料(22)完全或部分涂敷。

4.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，所述具有催化活性材料(22)的区域被形成为在所述流动方向上的在所述换热器(16)之前的单独部件(23)。

5.根据权利要求1到4之一所述的燃料电池系统，其特征在于，燃料流是具有所述燃料电池(2)的所述燃料的至少特定部分的物质流。

6.根据权利要求1到4之一所述的燃料电池系统，其特征在于，与包括燃料的区域连接的至少一个线路元件(11、20)在所述换热器(16)之前通入流向所述换热器(16)的所述过程空气流内。

7.根据权利要求1到4之一所述的燃料电池系统，其特征在于，与包括燃料的区域连接的至少一个线路元件(11、20)通入所述换热器(16)的由所述过程空气流通过的区域内。

8.根据权利要求1到7之一所述的燃料电池系统的用于提供运输装置中的电力的用途。

9.根据权利要求8所述的用途，其特征在于，所述电力用于驱动所述运输装置，其中，所述运输装置被设计为车辆。

10.根据权利要求9所述的用途，其特征在于，所述车辆包括无轨陆上车辆。