CN103109407A - 燃料电池系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种燃料电池系统（1），其包括至少一个燃料电池（2）、阴极室（4）和阳极室（5），其中，来自所述阳极室（5）的废气在阳极回路（14）中被送回所述阳极室（5）的输入端，其中在所述阳极回路（14）中设有水分离器（15），所述水分离器通过排出管道（17）与通往所述阴极室（4）的供应管道（7）连接，其中，设置另一水分离器（18），所述另一水分离器布置在所述供应管道（7）中、在流动方向上位于阴极室（4）的上游，其中，所述排出管道（17）在流动方向上于所述另一水分离器（18）的上游通入所述供应管道（7）中，或者通入所述另一水分离器（18）中。

Description

燃料电池系统

技术领域

本发明涉及一种如权利要求1前序部分所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

燃料电池系统是众所周知的现有技术。这种燃料电池系统——尤其是具有一组PEM燃料电池的燃料电池系统——往往以这样的方式运行：在其阳极侧供给超过燃料电池运行所需的大量的新鲜的氢。这使得氢在燃料电池阳极室容易地均匀分布，并且使得膜和电极的活性物质在整个可用区域上都得到理想利用。从阳极室排出的废气一般含有残余氢以及惰性气体，特别是氮，其通过燃料电池的膜而扩散到阳极室。此外，一部分产生于燃料电池内的产物水积聚于阳极室内并随该阳极废气一起被排出。为了不浪费存在于阳极废气中的氢，将来自阳极的废气送回阳极输入端，使其在此处与新鲜的氢一起重新被输送给燃料电池的阳极室。

这种具有所谓的阳极回路或阳极循环的结构还需要水分离器，以便将积聚在阳极回路中的水分离出去。此外，还应将气体或者持续地以最小体积流或者间歇地以相应较大的体积流从阳极回路排出，以便从阳极回路吹扫出氮气和其它惰性气体，从而确保燃料电池工作时阳极回路中的氢浓度始终保持足够高的水平。

WO2008/052578A1揭示这样一种结构，在该结构中，在唯一一个水分离器区域内既实现了水的排出还实现了部分废气的排出。这个又称“排出/吹扫”（Drain/Purge）的过程在此可以这样实现：不仅将水，还将气体都送入通往燃料电池阴极室的供应管道区域。其十分重要的优点在于，气体中的残余氢在阴极室的电催化器区域内释放，由此安全可靠地避免了氢被排放到周围环境中。

上述结构的缺点（其也由US2010/0009223A1的图2类似地描述）在于：液态水被带入阴极室，从而由此使得阴极室的个别区域或将阴极室与阳极室分隔开的膜的个别区域被水润湿。这会引起点状电压骤降或者在个别电池区域内引起电压骤降。因此，该结构在运行策略方面比较复杂，因为只有确保足够的送气流时，才能以理想的方式排出水/阳极废气。因此，这种燃料电池系统的控制方法和运行方法也就变得较为复杂。

此外其他的现有技术可从US2004/0038100A1参考。其示出一种非常复杂的燃料电池系统，在这个系统中，无论氢还是氧或空气都通过潮湿的阴极废气进行润湿。为了避免被润湿的送气中含水量过高、并阻止水滴渗入燃料电池内，该文献提出在各加湿器下游设置用于拦截水滴的水分离器。在这个结构中，来自阳极回路的废气与经过除湿处理的阴极室废气混合，经另一水分离器处理后被排放到周围环境中。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是避免上述缺点并提供一种燃料电池系统，这种燃料电池系统能以简单而有效的方式实现稳定且可靠的运行，而且不会因阴极室的进水量过高而影响该燃料电池系统的效率。

根据本发明，通过权利要求1特征部分所述的特征来实现上述目的。本发明所提供的燃料电池系统的其它有益技术方案请参阅相关的从属权利要求。

据此，本发明设有另一水分离器，该水分离器布置在供应管道中。与上述现有技术所揭示的结构不同，这个水分离器的作用是将通过水分离器的排出管道将从阳极回路中带入的水从燃料电池阴极室的送气中分离出去。随后可以目标明确地将这部分水排出，而与水一同带入供应管道区域中的气体则可极大地与水分离地流入燃料电池的阴极室。其中所含的残余氢然后可以在电催化器区域内耗散，从而避免从燃料电池系统排放氢。在阴极室前方的供应管道中设置另一水分离器的优点主要在于，无论系统的当前工作状态如何，也不管系统的送气量有多少，只要系统在工作，就能进行水和阳极废气的排出。也就是说，排水和阳极废气排出策略的执行基本不受燃料电池工作状态的影响，从而确保阳极回路区域内始终存在最佳的氢浓度。

只有在不向阴极室输送氧的情况下，也就是例如在燃料电池系统相应处于停止运行状态时，当使燃料电池系统在开始/停止模式下运行时，才不应排出水和气体，否则就没有氧可用来在阴极室的电催化器区域内对进入该区域的氢进行相应转化。而在任何一种为燃料电池阴极室送气（哪怕送气流量较小）的工作状态下，都能执行水和气体的排出，因为排氢量如此之少，从而使得就算极小的送气流量也足以避免氢的排放。

根据本发明所提供的燃料电池系统的有益改进方案，此外提出，所述另一水分离器通过排水管道与阴极室的排气管道连接。这样就以较直接的路径将水送入阴极室的排气管道区域。由于阴极室的排气中本来就含有产生于燃料电池的大量的产物水，增加的这部分水可以在此很方便地和有效地一起排出。在可能时，用于防止燃料电池系统泄漏液态水的措施因此不仅可以用于来自阴极室的产物水，还可在需要时用于来自阳极室的产物水，而无需其他结构措施。可以在另一水分离器的前方或后方将来自该另一水分离器区域的水送入排气管道，具体视供应管道和排气管道之间有否设置有气体/气体加湿器、全热交换器、中间冷却器或类似设备而定。如此一来，这部分水就可以在温度较高的排气中蒸发，视情况还可用来润湿送气。

可为排水管道和排出管道都设置用于影响流量的限流器和/或阀装置。举例而言，可以借助限流器实现连续的排出流量，以及/或者借助受控阀装置例如以时间控制的方式或者根据水分离器或另一水分离器所收集的水量实现可控的排出流量。当然，也可以将阀装置与限流器结合使用，例如在阀装置周围设置能实现连续排出流量的永久性旁路。

根据本发明所提供的燃料电池系统的有益改进方案，在设有可控阀装置的情况下，至少其中一水分离器具有水位检测装置，其中，根据水位对在流动方向上位于此水分离器后方的阀装置进行控制或调节。借助该水位检测装置，可以根据水分离器内的水位来控制阀装置，所述水位检测装置可设计成至少一个水位传感器、或设计成根据所述燃料电池的工作参数来计算水位的计算单元、或者设计成测量从水分离器到另一水分离器的流量。由此确保至少在达到相应水位时进行排出。特别对于供应管道区域内的另一水分离器而言，通过上述措施还能确保只有水被排入排气管道区域，只要在水分离器内还存在残余水，阀装置就始终被关闭。如此能稳定而可靠地避免氢被排入排气管道区域，借助本发明所设置的另一水分离器，可靠地实现了通向阴极室方向的氢和通向排气管道方向的水的可靠分离。

该燃料电池系统的其它有益技术方案由其他从属权利要求给出并由借助附图的实施例进行详细说明。

附图说明

唯一一个附图示出的是燃料电池系统的剖视图。

具体实施方式

附图示出燃料电池系统1，其理想地可装入车辆中以用于提供电驱动能量。该燃料电池系统包括例如实施为单电池组的燃料电池2。这些单电池优选采用PEM技术并且具有将燃料电池2的阴极室4和阳极室5隔开的膜3。借助空气输送装置6为阴极室4输送用作供氧剂的空气。这部分空气经供应管道7进入阴极室4，再以贫氧状态经排气管道8流出阴极室4。在此之后，排气可以进入周围环境，或者必要时还可先流经适当的燃烧器、涡轮机或诸如此类的装置，这属于众所周知的现有技术。

将压缩气体储存器9中的氢输送给燃料电池2的阳极室5，这部分氢经由氢阀10和氢供应管道11进入阳极室5。在阳极室5内未消耗掉的氢经再循环管道12流出阳极室5，并经再循环输送装置13回到氢供应管道11的区域内。废气在此与来自压缩气体储存器9的新鲜氢混合并被重新送往阳极室5。氢供应管道11和再循环管道12所组成的结构又称阳极回路14或阳极循环。

在燃料电池2工作期间，阳极回路14区域内随时间的推移积聚越来越多的惰性气体，特别是穿过膜3后从阴极室4扩散到阳极室5的氮气。此外，燃料电池2还有一部分产生于阳极室5的区域内的产物水也积聚在阳极回路14中。在阳极回路14具有规定体积的情况下，就算从压缩气体储存器9添加新鲜的氢，上述情形也会使得氢浓度随着时间的推移而下降，从而产生再循环管道中的水“泛滥涌入”阳极室5的危险。因此，再循环管道12区域内设有水分离器15，其分离并收集存在于阳极回路14区域内的液态水。这些水例如间歇性地或者在积聚适当的水量后通过阀装置16和排出管道17从水分离器15排出。相应的阀装置16的长的打开时间不但能保证将积聚的水排出，还能将一部分来自阳极回路14的气体一并排出。这个过程又称“排出/吹扫”过程。通过从阳极回路14排出一部分废气，大部分积聚的惰性气体被排出，典型地有少量的氢被一并排出。排出气体和水后，阳极回路14中再度有极高的氢浓度可供使用，从而燃料电池2可以理想地运行。

水和来自阳极回路14的废气一起经排出管道17进入通往阴极室4的供应管道7区域。这个结构能够确保废气中所含的残余氢可与送气——该送气由空气输送装置6输送——在阴极室4的区域内于阴极室4的电催化器上发生反应并形成水。借此防止氢被排放到燃料电池系统1的周围环境中。由于从阳极回路14所排出的氢的量一般都比较小，因此由此对催化器和阴极室所造成的负荷小，供应管道7中所输送的空气的很少的量就能避免氢的排放。

燃料电池系统1的结构中设有另一水分离器18，其于在供应管道7中流动的送气的流动方向上设置于阴极室4的输入端之前。如图所示，排出管道17在该另一水分离器18之前通入供应管道7中。当然，排出管道17原则上也可直接通入水分离器18中。只需确保经排出管道17带入供应管道7中的液态水在该另一水分离器18中被安全和可靠地分离。由此使得不会有液态水输送给阴极室4，而仅仅是来自于阳极回路14的惰性气体和残余氢。为此，液态水通过该另一水分离器18被进一步地分离并经排水管道19进入来自阴极室4的排气管道8区域。附图中在排水管道19区域内示出另一阀装置20。除了阀装置20外也可使用限流器，从而实现通过排水管道19的连续的体积流量。排出管道17区域内的阀装置16也是如此，这个阀装置同样可用限流器代替。当然，也可以将用于排出较大体积流量的阀装置与带有用于确保持续的小体积流量的节流板的并联旁路组合使用。

此外，燃料电池系统1的此处所示结构还可在供应管道7和排气管道8之间设置可选的气体/气体加湿器、全热交换器和/或中间冷却器。其例如以气体/气体加湿器21形式可选地示出。

如唯一一个附图所示，燃料电池系统1的结构的优点在于：能极其灵活地从阳极回路14区域排出气体和水，从而使燃料电池2获得理想性能，进而在阳极室5提供理想氢浓度。通过使用该另一水分离器18分离水，而不是让水进入阴极室4，供应管道7内的很少的空气体积流量就足够安全和可靠地避免氢的排放。也就是说，阳极回路14的排水排气策略可以不受送气流大小影响地进行。

该另一水分离器18理想情况下在此设有水位检测装置。该装置在唯一一个附图中以水位传感器22示出。通过水位传感器22和所属的控制器23可对阀装置20进行控制，使得从该另一水分离器18区域仅排出水，并且使得在该另一水分离器18的区域内、或者在排水管道19的位于阀装置20之前的区域内始终留有少量的残余水。这样能安全和可靠地避免废气中的氢从阳极回路14进入排气管道8的区域并进而进入周围环境，因为在阀装置20和该另一水分离器18或供应管道7之间始终存在相应的水垫，从而，残余氢始终流入阴极室4的区域内，且只有水通过排水管道19流出。

示例性示出的水位传感器22在此或者可以两个水位传感器的形式布置在水分离器18区域内。原则上也可以仅使用一个水位传感器，在此情况下，该水位传感器所采用的连接方式使得其始终在润湿时打开阀装置20、而在干燥时关闭阀装置20。如此一来，通过将传感器巧妙地布置在水分离器18中和对该传感器必然具有的迟滞加以利用，仅用一个传感器就能安全而可靠地达到预期目的。当然，除了用这种所谓的液位传感器来检测水位外，也可以通过控制器23借助以燃料电池的工作参数（特别是燃料电池的输出功率）为基础所进行的相应模拟来计算水位，因为根据燃料电池的已知机制，可以通过送氢量很好地估测出阳极室内所产生的水量。作为补充或替代方案，还可通过排出管道17区域中的流量测量来检测和/或估测该另一水分离器18所收集的水量。

当然，上文针对另一水分离器18所说明的各装置也可以补充性或替代性地为水分离器15而设置，以便对阳极回路14的排水和废气吹扫施加相应影响。

Claims (10)

1.一种包括至少一个燃料电池（2）的燃料电池系统（1），所述燃料电池系统包括阴极室（4）和阳极室（5），其中，来自所述阳极室（5）的废气在阳极回路（14）中被送回所述阳极室（5）的输入端，其中在所述阳极回路（14）中设有水分离器（15），所述水分离器通过排出管道（17）与通往所述阴极室（4）的供应管道（7）连接，

其特征在于，

设有另一水分离器（18），所述另一水分离器布置在所述供应管道（7）中、在流动方向上位于阴极室（4）的上游，其中，所述排出管道（17）在流动方向上于所述另一水分离器（18）的上游通入所述供应管道（7）中，或者通入所述另一水分离器（18）中。

2.如权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，所述另一水分离器（18）通过排水管道（19）与所述阴极室（4）的排气管道（8）连接。

3.如权利要求1或2所述的燃料电池系统，其特征在于，在所述排水管道（19）的区域内，在所述另一水分离器（18）和所述排气管道（8）之间设有限流器。

4.如权利要求1、2或3所述的燃料电池系统，其特征在于，在所述排水管道（19）的区域内，在所述另一水分离器（18）和所述排气管道（8）之间设有阀装置（20）。

5.如权利要求1至4中任一项所述的燃料电池系统，其特征在于，在所述排出管道（17）的区域内，在所述水分离器（15）和所述供应管道（7）之间设有限流器。

6.如权利要求1至5中任一项所述的燃料电池系统，其特征在于，在所述排出管道（17）的区域内，在所述水分离器（15）和所述供应管道（7）之间设有阀装置（16）。

7.如权利要求4或6所述的燃料电池系统，其特征在于，至少一个水分离器（15，18）具有水位检测装置（22），其中，根据该水分离器（15，18）的水位对在流动方向上位于此水分离器（15，18）下游的阀装置（16，20）进行控制或调节。

8.如权利要求7所述的燃料电池系统，其特征在于，所述水位检测装置设计成至少一个水位传感器（22）。

9.如权利要求7所述的燃料电池系统，其特征在于，所述水位检测装置设计成计算单元，在所述计算单元中根据所述燃料电池（2）的工作参数来计算水位、或者通过模拟来估测水位。

10.如权利要求7所述的燃料电池系统，其特征在于，所述水位检测装置利用所述排出管道（17）区域内的水进行流量测量。

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