CN102763258A - 具有至少一个燃料电池的燃料电池系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种燃料电池系统（1），包括至少一燃料电池（2）和至少一围绕阳极区（3）的燃料电池（2）阳极气体的循环引导装置（11）。此外，燃料电池系统（1）包括一排出管路（15），该排出管路用于将液体和水从循环引导装置（11）的区域输送到流向燃料电池（2）的阴极区（4）的处理空气流中。所述排出管路（15）通入一用于处理空气流的管路元件（8）中，该管路元件从一下位置（16）延伸到一在常规应用中沿重力方向布置得更高的上位置（17）。处理空气流在此从管路元件（8）的下位置（16）流到上位置（17）。

Description

具有至少一个燃料电池的燃料电池系统

技术领域

本发明涉及一种按照权利要求1前序部分详细限定的类型的、具有至少一个燃料电池的燃料电池系统。

背景技术

由国际公开文本WO2008/052578A1公开了一种燃料电池系统，其具有燃料电池阳极排气的围绕其阳极区的循环引导装置。这一点在该国际公开文本中以名称燃料回路来描述。此外该国际公开文本公开了一用于从循环引导区排出液体和气体的排出管路。这种将液体和气体一起排出的排出管路同时可以在处理空气流（Prozessluftstrom）中引向燃料电池的阴极区。

在此该结构的功能性极好，因为在来自阳极气体循环引导装置的气体中一般除水和随时间而增多的氮外还总是含有一定量的残余氢，所述残余氢在燃料电池阴极区中的催化器上被热消耗掉。由此安全可靠地避免了向燃料电池系统的外界排放氢。

在不利的负载情况下、例如负载跳跃，在此除引起一定残余量的氢进入阴极区外还引起较多的水进入阴极区。特别是当处理空气通过如常用的一湿润器已被润湿时，这些水将会绝大部分液态地到达阴极区。这便可能通过使处理空气的通路被堵塞或使相应的表面被弄湿而导致燃料电池性能的恶化。由此一般地构造成电池单体组的燃料电池的各电池单体可能由于处理空气供给不足而出现电压扰动。在最坏情况下甚至可能导致各电池单体极性变换（Umpolung），从而不利地持续干扰燃料电池的性能。

发明内容

本发明的目的是提供一种具有至少一个燃料电池的燃料电池系统，该燃料电池系统避免上述的缺点并且该系统由上述的现有技术这样改进，使得其在所有的运行状况下都可靠地以最佳功率特性工作。

根据本发明，所述目的通过具有权利要求1特征部分的特征的燃料电池系统实现。根据本发明的燃料电池系统的有利的构造方案和改进方案由从属权利要求给出。

根据本发明，排出管路通入一用于处理空气流的管路元件，即继而在燃料电池的阴极区上游通入。而该管路元件根据本发明设计成，从一下位置延伸到一在常规应用中沿重力方向布置得更高的上位置。处理空气的流动在此同样从下位置流到上位置。也就是说，排出管路通入一具有向上流动的处理空气流的上升的管件中。这便具有极大的优势。来自排出管路的气体、一般是氢在任何情况下都会被流动带动并且进入燃料电池的阴极区，在该阴极区处按已知的方式方法被热转化。即使在低流速下、例如在燃料电池系统空载时也能确保这一点。如果由于某种原因、例如由于燃料电池系统在起停模式的停止阶段中被切断而使管路元件中不存在流动，则氢由于其密度很小仍在重力方向上上升并且由此到达燃料电池的阴极区的入口区域。经排出管路进入管路元件的液体、一般是水在较高流速下部分地同样被流动带动并且同样如此前所述地到达燃料电池的阴极区。这一点在较高的处理空气流下比较不紧急，因为在这样的状况下与处理空气相比仅很少量的液体进入了燃料电池的阴极区。在任何情况下总是有另一部分由于重力而在管路元件中下降。处理空气流的流速越低，在管路元件中下降并且不到达燃料电池的阴极区的液体份额越高。如果低于一特定的处理空气流流速，则所有液体都在管路元件中向下流。

利用这种根据本发明的燃料电池系统结构，能够安全可靠地避免更大量的液体或水进入燃料电池阴极区，使得燃料电池在所有的运行状况下都具有比较好的、均匀的工作能力。

由此所述结构实现了，燃料电池系统在功率方面以高动态性工作，而不必担心由此产生强烈的功率扰动或类似情况。这使得具有根据本发明的结构的燃料电池系统能极好地应用在例如由该燃料电池系统为车辆电驱动装置提供驱动能量的车辆中。因为特别是在驱动车辆时要求高动态的功率特性，所以上述的结构对于这样的应用是特别有优点的。

根据本发明燃料电池系统的一特别有利的并且具有优点的改进方案另外提出，管路元件相对于水平线呈一大于45度、特别是大于80度的角度。原则上，根据本发明的功能性在任何以一相应角度向上延伸的管路元件中都会起作用。角度越陡，液体便能越好地逆处理空气流向下流动。理想的是一竖直向上延伸的管路元件或一至少以一大于45度、特别是大于80度的角度向上延伸的管路元件。因为这样的管路元件与竖直向上延伸的管路元件相比通常在燃料电池系统封装方面、特别是在上述在车辆中的优选应用中更易于实现，所以完全可以使用斜向上延伸的、并非与水平线直接垂直的管件。

在本发明燃料电池系统的一非常有利的并且具有优点的构造方案中另外提出，排出管路在通入管路元件的通口区域中设计成，使得进入的液体和进入的气体到达管路元件的壁部区域中。特别是在气体和液体从排出管路进入管路元件的壁部区域中时，液体能非常容易地在壁部区域中向下流，因为在这里由于处理空气流与壁部之间的摩擦使得流速总是略小。

在本发明燃料电池系统的另一非常有利的并且具有优点的构造方案中另外提出，管路元件的横截面在排出管路通入管路元件的通口区域中至少短暂地扩宽。通过这样地扩宽管路元件的可通流横截面，在恒定的处理空气体积流量下由于更大的可通流横截面而在所述处理空气的区域中实现流速降低。通过至少在排出管路通入管路元件的通口区域中使处理空气的速度降低能够创造非常有优势的流动条件，以利于液体在管路元件中即使在高处理空气流下也向下流。

在本发明燃料电池系统的另一非常具有优点的改进方案中可另外提出，排出管路在通入管路元件的通口区域中设计成，使得进入的液体和进入的气体至少部分地逆处理空气流的流向流入。即使在其中来自排出管路的物质以逆处理空气流流向或具有逆处理空气流流向的运动分量被引入的结构中，也在管路元件中液体向下流方面实现了非常具有优点的效果。由于压差而从排出管路流入管路元件区域中的混合物在入流区中具有一定的速度。由于逆处理空气流速度取向地流入，必须首先利用来自处理空气流的能量使流入混合物的速度反向，然后该处理空气流才能带动气体和特别是液体。由于氢的密度非常低，所以氢在任何情况下都获得流向反转并且被带动。而对于较重的液滴则仅在处理空气流的高流速下才是这样，因此大部分液体逆处理空气流流向在管路元件中、在此特别是在管路元件的壁部区域中流下或者是滴下。

在本发明燃料电池系统的一非常有利的构造方案中另外提出，沿处理空气的流向在下位置的区域的上游或在下位置的区域中设有一用于收集液体的容器。这样的容器可以接纳在管路元件中下降的液体并相应地存储所述液体，使得处理空气流不能朝向燃料电池阴极区的方向带动所收集的液体。在其具有优点的改进方案中可此外提出，用于收集液体的容器经一通道与从燃料电池的阴极区流出的排出空气相接。这样的可以具有节流板（隔板）或缩窄部位或阀的通道可以实现容器与来自燃料电池的排出空气的连通。由此所收集的液体可以由燃料电池的排出空气从燃料电池系统引出，从而避免液体进入或者是穿流过阴极区。

在本发明燃料电池系统的另一非常具有优点的构造方案中另外提出，管路元件设置在一湿润器和所述燃料电池的阴极区之间，其中所述用于收集液体的容器和/或通道被内置/集成到湿润器中。燃料电池系统非常经常地具有湿润器，从而使处理空气在被压缩后在流入阴极区之前相应地被润湿。这一点特别是对于设计成PEM燃料电池组的燃料电池为保护PE膜免于干涸是特别重要的。这样的湿润器在此经常构造成，经一水蒸气可穿透的膜片将流向燃料电池阴极区的处理空气流与来自燃料电池阴极区的排出空气流分隔开。因为来自燃料电池阴极区的排出空气流带有在燃料电池中生成的绝大部分蒸气形式、部分也是液滴形式的产物水，所以该排出空气流能相应地润湿流向燃料电池阴极区的相对较暖且干燥的处理空气流。在这样的湿润器中可以内置容器和/或通道。在此可使结构成本最小化，因为仅须在湿润器中实现一配备有节流位置或阀装置的、在排出空气区域与处理空气区域中的容器之间的连接。

在本发明燃料电池系统的另一非常有利的构造方案中另外提出，容器设计成能被加热的。由此可使在容器区域中收集的液体由于加热而蒸发并且用于进一步润湿处理空气流。所述加热在此可例如通过电加热元件或类似物主动地实现。对于相应的耐用的膜片，这种结构必要时甚至能够放弃湿润器，因为通过在容器中主动地蒸发所收集的液体能够实现必要时充分地润湿相对较热且干燥地到达容器区域的处理空气流。

在其替代构造方案中另外提出，所述容器与发热部件导热接触。积聚在容器中的液体的蒸发一方面可用于润湿处理空气流，另一方面可用于至少部分地冷却与之热接触的发热部件，例如机电部件、功率电子装置或类似物。

附图说明

此外借助以下参照附图更详细地说明的实施例可得出根据本发明的燃料电池系统的有利的构造方案和改进方案。

其中：

图1示出一根据本发明的可能实施方式的示例性的燃料电池系统；

图2~图5示出排出管路进入一管路元件中的通口区域的不同的优选构造方案。

具体实施方式

图1的视图示例性地示出一可能的燃料电池系统1，该燃料电池系统例如可以构造成用于为车辆提供电驱动功率。燃料电池系统1的核心是燃料电池2，所述燃料电池应优选构造成PEM燃料电池组。燃料电池2的阳极区3与燃料电池的阴极区4通过能导通质子的聚合物膜5分隔开。经压缩机6给这种已知的燃料电池2结构输入处理空气以向燃料电池2的阴极区4供给氧。所述处理空气可以在压缩机6后经一已知的、但在此可选的湿润器7被输送，在该湿润器中通过水蒸气可透过的膜片将处理空气与来自阴极区4的排出空气分隔开。因为来自阴极区4的排出空气被施加以燃料电池2的部分蒸气形式、部分液态存在的产物水，所以至少是来自阴极区4排出空气的水蒸气穿过膜片在湿润器7中对处理空气流进行润湿。这些这样被润湿或至少部分被润湿的处理空气流然后通过一管路（元件）8达到燃料电池2的阴极区4。被润湿的处理空气流就可以用于减弱聚合物膜5的干涸。排出空气流又如上所述地穿过湿润器7并且能够被排出到外界。必要时也可以通过涡轮机利用位于排出空气流中的残余能量。

在此处所示的实施例中，从一压力气体存储器9经一阀装置10向燃料电池2的阳极区3输送氢，该阀装置调节氢输送并且降低压力。在压力气体存储器9中，氢一般在极高的压力下、例如在高于700bar的压力下存储。

为了给燃料电池的整个阳极区3以及此处聚合物膜5的整个可用表面提供足够量的氢，一般地向阳极区3输送比其中所能转化的更多的氢。留下的残余氢作为阳极排气经一循环引导装置11和一再循环输送装置12在围绕阳极区3的回路中被引导，并且混带着来自压力气体存储器9的、新鲜的氢重新进入阳极区3。按已知的方式方法，在该循环引导装置11中氮和水随时间增加。为了总是可以在阳极区3中提供足够高的氢浓度，必须排出水和隋性气体，该惰性气体通常是从阴极区4穿过聚合物膜5扩散到阳极区3中的氮。一水分离器13便用于此，在该水分离器中相应地收集来自循环引导装置11的水。该水分离器经一阀装置14与一排出管路15相连接。如果这时阀装置14被打开，则首先是水穿过排出管路15，然后是位于循环引导装置11中的气体，由此不希望的氮并且可惜总是还有一定量的氢被从循环引导装置11排出。该过程就水而言被称为排水，就气体而言被称为清除。

为了不对燃料电池系统1的外界形成氢排放，排出管路15通入流向燃料电池2的阴极区4的处理空气流中，使得由排出管路15排出的物质经处理空气流进入燃料电池2的阴极区4。可能的残余氢可以在阴极区4的电催化器的区域中热反应。根据现有技术的该措施可能在特定的运行状况下是不利的，因为被引入阴极区4的水可能导致电压扰动或导致燃料电池2的各电池单体的区域中的空气通路堵塞。由此可能会限制燃料电池2的性能和工作能力。

利用本发明的结构能够避免上述不利情况。如图1所示，管路元件8作为上升的管路元件8从下位置16延伸到上位置17，从而在常规的应用中处理空气流抵抗重力向上穿过管路元件8然后进入燃料电池2的阴极区4。在该管路元件8的区域中，排出管路15例如在中央通入管路元件8的倾斜或竖直向上地从下位置16向上位置17延伸的区域中。在所有一般的运行状况中，排出管路15中包含的氢，如通过点线箭头所示，由处理空气流带动并且进入阴极区4，在该阴极区中所述氢如上文所述并且在现有技术中已知的那样在阴极区4的电催化器的区域中被热转化。这一点即使在低流速下也能得到确保，并且也能够在特定的运行状况下、例如在车辆起停模式范围内燃料电池系统1短暂停止时燃料电池系统被切断的情况下实现，这是因为氢由于其密度低而在管路元件8的区域中向上升并且到达燃料电池2的阴极区4。

同样经排出空气管路15被输送到管路元件8的区域中的、大多数为液态的水，如虚线箭头所示，沿重力方向在管路元件8中向下，即朝向下位置16的区域流动或者是液滴逆处理空气流的流动落入到下位置的区域中。部分的水在此在可能的水蒸气仍不饱和的处理空气流中蒸发并且能用于改善处理空气流的润湿。液态水到达下位置16的区域中，并且流回湿润器7或积聚在可选的容器18中，该容器可以布置在下位置16的区域中或布置在湿润器7中。这一般地在较慢和中等的处理空气流流速下完全会实现。只有在极高的处理空气流流速下才有一部分水被带动并且如此前那样进入燃料电池2的阴极区4。但具有相应的高流速的极高的处理空气流仅在燃料电池2的高功率下才出现，这在该状况下也相对不紧要，这是因为通过处理空气的高体积流量以及由于高功率产生的燃料电池2的高废热，水的百分比分量较低并且这些水在燃料电池的热量下大多数能够蒸发。

因此特别是对于由于在低负载点下运行和/或空载运行而极不希望水进入燃料电池2的阴极区4的状况，实现了一种可靠的解决方案，其能够以最低的耗费避免水进入燃料电池2的阴极区4，至少避免大量的水进入燃料电池2的阴极区4。水可以积聚在已提到过的容器18中，该容器在此在两个可选的位置示出。容器18在管路元件8的区域中在湿润器7和管路元件8的下位置16之间连续地延伸允许在水流回湿润器7之前收集水。通过通道19可使这些水流出到排出空气流的区域中，在此例如在湿润器7后流出到排出空气流的区域中并且从系统排出。此外在通道19的区域中示出了节流元件20。也可设想设有一阀装置代替节流元件20。容器18的虚线示出的第二替代方案中，将该容器集成在湿润器7中。一在湿润器7的进气侧和其排出空气侧之间的、简单的、同样设有节流元件或可选的设有一阀装置的通道19'便足以实现相当的效果。

可以可选地将被湿润器7中或者来自湿润器7的处理空气流过（ueberstroemt）的容器18设计成，使得积聚在容器18中的水能够在仍未达到100%湿气饱和的处理空气中再蒸发。这一点可以或者是被动地通过单纯地与处理空气接触实现，或者是主动地通过相应地加热容器18来实现。这样的加热可以例如主动地通过一电加热元件来实现。替代或附加于此也可设想，将容器18设计成与发热部件导热接触。这样便可以通过发热同样地实现液体的蒸发、进而实现对处理空气流的进一步润湿。此外可通过蒸发以及与发热部件的导热接触同时对这些部件进行冷却。这样的此外可从利用蒸发水冷却获益的发热部件的可设想的例子例如是机电的部件、特别是再循环输送装置12的电机、压缩机6的电机或类似物。也可以设想其它的部件，例如功率电机部件或燃料电池2的冷却循环回路上的连接部件。

在图2至5中示出了不同的可能方案，这些方案用于通过排出管路15通入管路元件8的通口的精巧设计来使水易于逆流速地在管路元件8中向下流。

在图2的视图中，经环状喷嘴21将来自排出管路15的物质引入，在该环状喷嘴中一环腔22被来自排出管路15的物质流过，该环腔经相应的开口23与管路元件8相连接。在环状喷嘴21的区域中，管路元件8的横截面相应地扩宽。在恒定的处理空气体积流量下，在这样的横截面扩宽部处引起流速降低。被引入管路元件8的水便可以逆着箭头表示的处理空气流沿重力方向在管路元件8中流下并且沿其壁部向下流动到下位置16。

图3示出不具有扩宽的横截面的管路元件8。排出管路15的连接部在此设计成，使得来自排出管路15的物质逆处理空气流向或至少具有逆处理空气流向的方向分量、进而沿重力方向地倾斜向下地进入管路元件8的区域中。较轻的氢极迅速地被处理空气流带动。较重的水必须首先在其流向上变得相反，因此大量的水不被处理空气流带动，而是能朝向下位置16的方向流出。

在图4中示出另一替代方案，其中排出管路15的通口设计成，接近直角地通入管路元件8的区域中。为避免从排出管路15流出的物质、在此特别是水到达处理空气流的中央区域，设有一挡板/反射板24，该挡板使得从排出管路15出来的流转向并且用于特别是使管路元件8的壁部区域中的液态水能流出到下位置16。当然在使用环状喷嘴的情况下也可以设想具有环状挡板的类似结构。

在图5中最后示出一结构，其中又通过一环状通路22使来自排出管路15的物质流入管路元件8的区域中。在此通过合适的引导元件25用于逆处理空气流流向的入流并且同时用于沿管路元件8壁部的入流。这也使液态水更容易流出到下位置16，而氢则被处理空气流带动。

图2至5所示的变型方案在此应理解成是纯示例性的并且可以相互间任意地组合。它们用于进一步改善根据本发明的、即使在排出管路15通入管路元件8中的纯T形通口下也能实现的效果并且提高不再有水被处理空气流带动的处理空气流速限值。

总地来说，燃料电池系统1的根据本发明的结构以极简单并且低成本的手段使得燃料电池2的运行稳定性、特别是不同的高动态变换的运行状况下的电功率得到改善。因此，燃料电池系统1除任意其它的固定和移动式的应用外特别好地适于在车辆中提供驱动能量，因为在这种情况下通常对燃料电池2的功率性能提出高动态要求。

Claims (10)

1.一种燃料电池系统，包括至少一燃料电池和至少一围绕阳极区的燃料电池阳极气体循环引导装置，还包括一排出管路，该排出管路用于将液体和气体从循环引导装置的区域输送到流向燃料电池的阴极区的处理空气流中，其特征在于，所述排出管路（15）通入一用于处理空气流的管路元件（8）中，该管路元件从一下位置（16）延伸到一在常规应用中沿重力方向布置得更高的上位置（17），其中所述处理空气的流动从所述下位置（16）流到所述上位置（17）。

2.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，所述管路元件（8）相对于水平线呈一大于45度、特别是大于80度的角度。

3.根据权利要求1或2所述的燃料电池系统，其特征在于，所述排出管路（15）在通入所述管路元件（8）的通口区域中设计成，使得进入的液体和进入的气体到达所述管路元件（8）的壁部区域中。

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，在所述排出管路（15）通入所述管路元件（8）的通口区域中，所述管路元件（8）的横截面至少短暂地扩宽。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的燃料电池系统，其特征在于，所述排出管路（15）在通入所述管路元件（8）的通口区域中设计成，使得进入的液体和进入的气体至少部分地与处理空气流的流向相反地流入。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的燃料电池系统，其特征在于，沿处理空气的流向在所述下位置（16）区域的上游或在所述下位置（16）的区域中设有一用于收集液体的容器（18）。

7.根据权利要求6所述的燃料电池系统，其特征在于，所述用于收集液体的容器（18）经一通道（19）与从所述燃料电池（2）的阴极区（4）流出的排出空气相接。

8.根据权利要求6或7所述的燃料电池系统，其特征在于，所述管路元件（8）设置在一湿润器（7）与所述燃料电池（2）的阴极区（4）之间，其中所述用于收集液体的容器（18）和/或通道（19）被内置到湿润器（7）中。

9.根据权利要求6、7或8所述的燃料电池系统，其特征在于，所述用于收集液体的容器（18）设计成能被加热的。

10.根据权利要求6至9中任一项所述的燃料电池系统，其特征在于，所述用于收集液体的容器（18）与发热部件导热接触。

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