CN102939679A - 具有设置在外壳内的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），具有至少一个设置在外壳（11）内的燃料电池（2）和用于向该燃料电池（2）的阴极区（4）输送空气的输送装置（6）。在输送装置（6）的后面从燃料电池（2）的进气中分支出一分气流，该分气流作为支承空气和/或冷却空气穿流输送装置（6）的至少一部分。分气流沿流动方向在输送装置（6）的前面或后面作为扫气空气穿流燃料电池（2）的外壳（11）。

Description

具有设置在外壳内的燃料电池的燃料电池系统

技术领域

本发明涉及一种按权利要求1的前序部分所详细限定类型的具有至少一个设置在外壳内的燃料电池的燃料电池系统。

背景技术

从普遍的现有技术中公知具有至少一个燃料电池的燃料电池系统。燃料电池在此方面通常实施为各单个燃料电池的堆叠组件。其例如可在车辆中用于产生电驱动能量。对于这种结构来说，在此通常由多个单个燃料电池实现燃料电池堆（燃料电池组）。这些燃料电池优选可构成为PEM燃料电池。

这种类型的燃料电池或还有其它类型的燃料电池通常将氢或含氢的气体作为燃料供给到燃料电池的阳极端并将氧或空气中所含的氧供给到燃料电池的阴极端。为了能够对这种燃料电池堆的可能的不密封性做出反应和由此防止氢或含氢的气体与空气形成能够爆炸的混合气体，在此方面从现有技术已知各种不同的措施。典型的是将燃料电池堆为此设置在一个外壳内。例如像DE 10 2007 042 784 A1中所介绍的那样，外壳然后由扫气空气穿流（流过）。这种扫气空气在此将氢和/或氧的可能的微量泄漏从外壳扫出并将其输送到燃料电池系统的这样的区域内，在该区域内发生足够的稀释，从而不再存在能够爆炸的混合气体，或者在该区域内氢被燃烧或催化燃烧，以便由此避免氢排放物和能够点燃的混合气体。

例如像上面提到的DE 10 2007 042 784 A1中描述的这种结构在此方面成本较高，因为它需要分散的部件以保持扫气空气流动。

燃料电池系统方面其它普遍的现有技术此外还公开了阴极区所需的进气通过流动式压缩机被输送。用于进气的这种输送装置例如可以是纯流动式压缩机，特别是电机驱动的纯流动式压缩机。但也公开了和常见这样的结构，其中形成有单级或多级的输送装置，由该输送装置构成涡轮增压器类型的至少一个级。此外，所谓的电动涡轮增压器也是公知和常用的。这种涡轮增压器在与流动式压缩机设置在一个共同轴上的涡轮机内利用来自燃料电池系统区域的剩余能量，或可选地由热产生的能量，例如来自（催化）燃烧器，以便因此驱动流动式压缩机。同时该轴上设置有电机，该电机根据功率需求和要求，要么电动机式地工作以支持流动式压缩机，要么在涡轮机上存在比流动式压缩机所需功率更多的情况下发电机式地工作。这种例如可能受到润滑油或类似物污染的进气流会导致持续损坏燃料电池并因此应无条件避免。为了确保利用这种结构不对燃料电池的阴极区造成润滑油污染或类似污染，在燃料电池系统方面的普遍现有技术中，通常使用空气轴承系统，以便可实现向燃料电池的阴极区输送非常纯净的进气流。

发明内容

在此本发明的目的在于，提供一种燃料电池系统，该燃料电池系统避免上述缺点并利用一种简单、紧凑和成本低廉的燃料电池系统保证高效的结构。

该目的根据本发明通过权利要求1特征部分所述的特征得以实现。根据本发明的燃料电池系统的其它具有优点的设计方案在此方面在从属权利要求中予以说明。

根据本发明的解决方案，作为支承空气（承载空气，Lagerluft）和/或冷却空气从输送装置的至少一部分穿流的分气流（Teilluftstrom）沿流动方向在输送装置的前面或后面作为扫气空气穿流至少一个燃料电池的外壳。在根据本发明的结构中，针对输送装置而利用在输送装置后面从向燃料电池的进气中分支出的支承空气和/或冷却空气，以便除了输送装置的至少一部分之外还作为扫气空气穿流至少一个燃料电池的外壳。由此以本身公知的方式吸收可能的泄漏和/或燃料电池可能排出的气体中能够点燃或爆炸的混合气体，并且可由扫气空气稀释而排放到周围环境，或者为了其它类型的应用和/或后燃烧而输送到适当的部件。不需要用于外壳扫气空气的附加风扇或诸如此类的器件，在此却可保持全部正常工作。这节省了输送装置和与其相关的成本，以及该输送装置所需的结构空间。根据本发明的燃料电池系统因此可比根据现有技术的燃料电池系统更加紧凑、轻便和成本低廉地构成。

在根据本发明的燃料电池系统的另一种特别有利的设计方案中，此外扫气空气还沿流动方向在输送装置的后面穿流外壳。该流动方向确保输送装置的区域内较高的压力，从而支承空气和/或冷却空气在此安全可靠地以必要的压力和必要的体积流到达。在穿流了输送装置和在此方面不可避免地出现压力损失后，扫气空气然后进入外壳的区域内。由于在这里典型地不出现太高的压力损失和不需要具有特别高的体积流的穿流，所以穿流输送装置后扫气空气剩下的流动能量对此完全足够，从而总体上输送装置无需或仅需耗用很少的能量，以利用扫气空气实现外壳的彻底扫气。因此该结构在节省结构空间和部件的情况下，与传统的结构相比无需或仅需最小的附加能量开支。与采用扫气空气本身的输送装置的结构相比，这样不仅可节省结构空间，而且也可节省能量。

在根据本发明的系统的一种非常具有优点的改进方案中，此外扫气空气在输送装置与外壳之间穿流至少一个换热器。由此可相应降低进入外壳之前扫气空气区域内的温度，而不必担心外壳和处于其中的至少一个燃料电池受到扫气空气的加热。这特别是在这种情况下具有优点，即扫气空气在输送装置的区域内还承担用于冷却输送装置的例如电机驱动装置的任务。换热器在此方面可由气态或液态的冷却介质穿流，以便由此冷却扫气空气。气态冷却介质例如可以是燃料电池系统的冷却回路中存在的冷却介质。

在本发明该思路的一种替换或补充的设计方案中，在输送装置与外壳之间设置有用于扫气空气的管道元件，其形成为比纯流动连接所需要的（长度）更长。通过这种有意地形成得更长且优选分布在燃料电池系统的较冷区域内的管道元件，作为对上述换热器的替换或补充，可通过更长的流动行程达到在扫气空气进入外壳之前冷却的目的。

在根据本发明的燃料电池系统的一种有利改进方案中，此外穿流外壳后的扫气空气流动到具有催化活性材料的区域内。

扫气空气向具有催化活性材料的区域内的输送非常好地适合于减少通过外壳内的至少一个燃料电池的泄漏出现的可能的氢排放物。由此避免向周围环境的排放并安全可靠地避免出现具有潜在危险的能够点燃的混合气体。具有催化活性材料的区域在此方面可不同地构成。例如可设想，正如现有技术中所公开的那样使用复合器，该复合器仅用于消耗扫气空气内可能含有的氢或利用空气氧将其转换成水。作为对此的替换或补充，扫气空气在穿流外壳后例如可输送到阴极区的进气处。由于阴极区内存在至少一个燃料电池的电催化器作为催化活性材料，所以在这里也可反应掉扫气空气运送的最小量的氢，而对燃料电池的性能没有不利影响。由于这种催化器本来就必须存在以便保持燃料电池的正常电化学工作，所以利用这种结构可节省专门用于反应掉扫气空气的催化器。由于例如在使用铂作为催化剂时催化器的成本较高，所以由此产生明显的成本优势。此外，在结构空间和重量方面形成优势。但或者，正如上面已经介绍的那样，也可使用例如这样构成的催化燃烧器，使得来自阳极区和阴极区的排气（废气）在该燃烧器内燃烧并且热的排气驱动例如与输送装置组合的膨胀器。在这种结构中，然后也可向该催化燃烧器输送扫气空气。这样也可在无需附加的催化活性材料的情况下达到氢排放物不与扫气空气进入周围环境的目的。

在根据本发明的燃料电池系统的一种具有优点的设计方案中，此外扫气空气沿流动方向在外壳和/或输送装置的前面和/或后面穿流其它所要冷却的和/或所要加热的部件。扫气空气在穿流输送装置时作为支承空气或冷却空气相应加热，并且在正常情况下不与外壳区域内逐渐升高的温度接触。因此扫气空气预先例如可用于加热所要加热的部件。但作为对此的替换或补充，本来作为分流或进气而分支的冷却空气也可用于冷却其它部件。

特别是在燃料电池系统冷启动的情况下，典型地作为支承空气和/或冷却空气而受热的扫气空气可在没有中间布置的或主动的换热器或所要加热的其它部件的情况下用于同时加热其外壳内部的燃料电池堆。由此可相应缩短燃料电池系统的冷启动时间，而为此无需提供额外的能量。在完成冷启动后，然后例如可通过利用冷却介质（例如气态或液态的冷却介质）穿流上述可选换热器而实现的启动，在进入外壳内之前进行扫气空气的冷却，以便由此确保在正常运行期间没有不必要的热量导入燃料电池堆的区域内。

在根据本发明的燃料电池系统的一种有利的改进方案中，输送装置具有电机和膨胀器。输送装置的这种设计方案也称为电动涡轮增压器并由现有技术公开。膨胀器在此利用燃料电池的排气内存在的能量，以便由此降低通过作为电动机的电机为输送装置产生的驱动功率。在膨胀器上存在的功率高而输送装置的消耗低的情况下，电机也能以发电机运行，以便将通过膨胀器回收的能量转换成电能。

在另一种非常有利的设计方案中，在此膨胀器使至少一个燃料电池的排气膨胀减压，其中排气沿流动方向在膨胀器的前面穿流一燃烧器。在这种例如可构成为多孔燃烧器或在一种优选改进方案中构成为催化燃烧器的燃烧器中可燃烧燃料电池的排气。这些排气在任何情况下在来自阴极的排出空气中均含有残余氧。此外，例如阳极排气在环绕阳极的回路中被引导时，排气内根据燃料电池的结构和类型至少还含有残余量的氢。然后随时需要排出回路中的气体，以便通过惰性气体进行的积聚来避免使阳极区内的氢浓度跌落到特定值以下。在这种情况下，排出的气体内含有氢，其可与空气内的残余氧共同燃烧。在无回路的阳极区的一种替换结构中，阳极区内典型地以一定的过剩量来输送氢，以便达到可供支配的活性面积的均匀入流。在这种情况下，阳极排气然后连续含有一定剩余量的氢，其可与阴极排出空气内的残余氧燃烧。如上所述，此外可在外壳后面为这种燃烧输送扫气空气。在其中可能含有的氢如此同时进行燃烧。通过燃烧产生的热排气在膨胀器内膨胀减压时比该膨胀器仅使用排气内的过压来获得能量时输出更多的能量。

在这种思路的另一种非常有利的设计方案中，此外还可向燃烧器输送可选的燃料。这种结构可通过可选的燃料（例如在燃料电池系统内同时输送的氢或用于产生氢的原料）来可选地加热燃烧器。按照这种方式，可在膨胀器的区域内提供比较高的热能。由此通过膨胀器获取的功率然后在电机内转换成电功率，其例如可用于同时满足特别是在装备有这种燃料电池系统的汽车加速时可能出现的短时间的峰值功率。借助膨胀器和燃烧器，由此可通过可选的燃料实现增压功能。

附图说明

其它具有优点的设计方案由其余的从属权利要求得出并借助下面参考附图详细说明的实施例变得更加清楚。

其中：

图1示出根据本发明的第一可能实施方式中的燃料电池系统；以及

图2示出该燃料电池系统的一种替换实施方式。

具体实施方式

图1所示的结构示出燃料电池系统1中对这里的本发明重要的部分。该燃料电池系统具有燃料电池2，其在这里例如构造为由各单个PEM燃料电池构成的堆叠组件。燃料电池2因此分成由膜片5彼此分开的阳极区3和阴极区4。在此，以本身公知的方式例如从未详细示出的压缩气体储存器向阳极区3输送氢H2。氢H2穿流阳极区3并且然后例如通过这里未示出的阳极回路返回到阳极区3的输入区内。或者，它也可从阳极区3排出并另作它用。原则上也可这样设想阳极区3的结构，即其结构完全转换流入阳极区内的氢。因为这对于这里的本发明来说不具有重要意义，所以在两个附图中仅示出利用氢穿流阳极区3，其中取消了阳极回路等的图示。但不言而喻，本发明也可与其它类型的结构相应组合，或本领域技术人员可看出同时包括这些结构。

通过输送装置6向燃料电池2的阴极区4输送空气。所输送的空气在此在输送装置6前面例如可穿流空气滤清器，以及在输送装置6后面此外可穿流增压空气冷却器和/或加湿器。这对于本发明来说也不重要并因此附图中没有示出。但本领域技术人员可看出，这些结构在这里也能以任意组合类似存在。

在输送装置6的压缩机8后面沿流动方向从阴极区4的进气提取一个分气流。该分气流在输送装置6的区域内通过附图中采用7标注的管道流动。管道7在此原则上能以任意的方式构成。特别是该管道也可构成为输送装置6的外壳内的内部管道7并由此直接在输送装置6的内部引导分气流。

如图1所示的这种结构在此应理解为纯粹举例。通过管道7分支的分气流在输送装置6的区域内特别是作为支承空气用于穿流输送装置6的压缩机8的空气轴承。此外，分气流也可作为冷却空气例如用于输送装置6的电机驱动装置9。分气流然后在穿流输送装置6或输送装置6的一部分后通过采用10标注的管道元件继续流动到包围燃料电池2的外壳11内。该外壳11在此的任务是，一方面机械地保护燃料电池2，另一方面可靠地密封燃料电池2的结构，使得从燃料电池2可能排出的排放物不会进入周围环境。穿流输送装置6的至少一部分后通过管道元件10流动到外壳11区域内的分气流在这里现在作为扫气空气使用，以便将外壳11彻底扫气并由此将可能的氢排放物或还有其它排放物从外壳11排出。正如通过采用12实线标注的管道段表示的那样，排放物的这种排出在此方面可直接排入周围环境。作为对此的替换或补充，扫气空气穿流外壳11后也可通过采用12'和12″标注的管道段返回到向阴极区4流动的进气区域内，在输送装置6的前面或后面返回。扫气空气然后与向阴极区4流动的进气共同承担燃料电池2的供氧。由扫气空气携带的可能排出的氢在此在阴极区4内本来存在的电催化器的区域内反应掉，从而没有有害的排放物进入周围环境并且特别是没有能够点燃或甚至爆炸的混合气体在燃料电池系统1的周围出现。

管道段12'和12″在此特别可与阳极回路的排出管道相组合，因为在这里也经常将排出的气体导入阴极区4内，从而从这种阳极回路中排出的气体中含有的氢在阴极区4的电催化器的区域内反应掉。

在图1的图示中，现在此外可看出可选的换热器13。该可选的换热器13例如可构成为空气/空气换热器，或由液态冷却介质（例如燃料电池2的冷却回路中的冷却介质）穿流。该换热器为此用于冷却管道元件10区域内的扫气空气，以便这样将在输送装置6的区域内导入扫气空气中的热量从扫气空气中去除，使得燃料电池2不通过扫气空气进行额外/不必要的加热。

特别是在可选的换热器13与燃料电池2的冷却回路结合时，此外该换热器这样连接，使得其仅在需要时由冷却介质穿流。在这种燃料电池系统1冷启动的情况下，然后至少部分地穿流输送装置6后被加热的扫气空气可用于加热处于外壳11内的燃料电池2。在没有额外的能量需求的情况下，这样实现燃料电池2更加快速的加热并因此实现燃料电池系统1更加快速的冷启动。

作为对此的替换或补充，扫气空气例如在管道元件10的区域内也可用于穿流其它所要加热和/或所要冷却的部件。特别是为此这样选择所要加热和/或所要冷却的部件的顺序，使得在正常运行中使扫气空气以允许的温度在入口处进入外壳11内。

在图2的图示中，现在可看到燃料电池系统1的一种替换实施方式。在此，具有相同附图符记的部件同样是指刚才介绍过的部件。这种结构设置成，现在阴极区4和阳极区3的排气相互混合并在膨胀器14的区域内膨胀减压。输送装置6在图2所示的该实施例中因此构造为电动涡轮增压器（Electric Turbo Charge=ETC）。这种结构在此利用膨胀器14区域内的排气中的压缩能，以便由此重新获得至少一部分在压缩机8区域内产生的能量。扫气空气的结构在其它方面与上述结构相同。扫气空气在穿流外壳11后通过采用15标注的管道段与阳极区3和阴极区4的排气共同向膨胀器14流动。在这里来自阳极区3的排气也可以指来自连续穿流的阳极区的排气，或者是指从阳极回路中不时地排出的排气。

在图2的图示中，此外示出可选的燃烧器16。沿混合排气的流动方向在膨胀器14前面的这种可选的燃烧器16例如可构成为多孔燃烧器或特别是也可构成为催化燃烧器。它用于热转换扫气空气和排气内含有的可燃烧的残余物质，例如残余的氧和氢，并由此在排气进入膨胀器14之前提供更高的温度水平。通过这种更高的温度水平，不仅可重新获得膨胀器区域内的压差，而且在化学上与排气结合的能量也可至少部分地通过膨胀器14转换。在特定的运行状态下，此外可向燃烧器16输送可选的燃料。这在图2的图示中通过箭头17相应表示。在此，向燃烧器16例如输送也用于使燃料电池2运行的氢H2。

在燃料电池系统1或通过燃料电池系统1供电的系统内，特别是车辆的电动传动系内，会出现动态的功率需求。在此，例如在车辆加速时，应随时满足相应的峰值功率。因为燃料电池2本身没有这么高的动力，所以通过燃料电池2本身很难及时满足这种峰值功率。但在此期间通过向燃烧器16输送可选的氢H2，可提供排气内比较高的热能。由此通过膨胀器14可至少暂时获取非常大的功率，这种功率然后通过作为发电机使用的电机9转换成电能。通过在膨胀器14上提供的功率，因此不仅压缩机8得到驱动，而且同时通过作为发电机运行的电机9产生电功率。由此可实现电动的增压效应并且可非常动态地满足电功率的大幅度和快速的提升。

总而言之，图1和2中所示的两种结构在此利用本来就存在的介质流，它们在输送装置6或构成为ETC的输送装置6的区域内作为支承空气或冷却空气被需要，以便将其同时另作它用并且将它们作为燃料电池2的外壳11的扫气空气使用。由此节省了部件、结构空间和重量。最后，这支持燃料电池系统1的结构作为成本低廉和高能效的系统。

在此，图1和2中所示实施例的各个方面显然可相互组合，从而在图1的实施方式中也可使用膨胀器14和可选的燃烧器16。同样，在图2框架内的实施方式中，排气的一部分可导入输送装置6前面或后面的阴极进气区域内，或者排入周围环境。

Claims (10)

1.一种燃料电池系统，具有至少一个设置在外壳内的燃料电池和用于向燃料电池的阴极区输送空气的输送装置，其中在输送装置的后面从燃料电池的进气中分支出一分气流，该分气流作为支承空气和/或冷却空气穿流输送装置的至少一部分，

其特征在于，

该分气流沿流动方向在输送装置（6）的前面或后面作为扫气空气穿流所述至少一个燃料电池（2）的外壳（11）。

2.按权利要求1所述的燃料电池系统，

其特征在于，

扫气空气沿流动方向在输送装置（6）的后面穿流所述外壳（11）。

3.按权利要求2所述的燃料电池系统，

其特征在于，

扫气空气在输送装置（6）与外壳（11）之间穿流一换热器（13）。

4.按权利要求2或3所述的燃料电池系统，

其特征在于，

在输送装置（6）与外壳（11）之间用于扫气空气的管道元件（10）形成为比纯流动连接所需要的更长。

5.按权利要求1至4之一所述的燃料电池系统，

其特征在于，

扫气空气在穿流所述外壳（11）后流动到具有催化活性材料的区域（4，16）内。

6.按权利要求1至5之一所述的燃料电池系统，

其特征在于，

扫气空气沿流动方向在外壳（11）和/或输送装置（6）的前面和/或后面穿流其它所要冷却的和/或所要加热的部件。

7.按权利要求1至6之一所述的燃料电池系统，

其特征在于，

输送装置（6）具有电机（8）和膨胀器（14）。

8.按权利要求7所述的燃料电池系统，

其特征在于，

膨胀器（14）使所述至少一个燃料电池（2）的排气膨胀减压，其中所述排气沿流动方向在膨胀器（14）的前面穿流一燃烧器（16）。

9.按权利要求8所述的燃料电池系统，

其特征在于，

燃烧器（16）形成为催化燃烧器。

10.按权利要求8或9所述的燃料电池系统，

其特征在于，

能够向燃烧器（16）输送可选的燃料（H2）。

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