CN106104880B - 具有吹扫气体路径的燃料电池装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种燃料电池装置(1)，其具有燃料电池(2)、阴极气体路径(3)和吹扫气体路径(5)，其中，所述燃料电池(2)具有壳体(7)和布置在所述壳体(7)中的、具有阴极和阳极的膜电极装置(6)，用于输送阴极气体的阴极气体路径(3)在阴极侧延伸通过膜电极装置(6)，用于输送在工作时吹扫壳体(7)的吹扫气体的吹扫气体路径(5)延伸通过壳体(7)。在此规定，吹扫气体路径(5)的部段通过阴极气体路径(3)延伸。由此使得燃料电池装置(1)具有紧凑的和由少量部件构成的结构。

Description

具有吹扫气体路径的燃料电池装置
本发明涉及一种具有燃料电池的燃料电池装置，所述燃料电池具有壳体和布置在壳体中的具有阴极和阳极的膜电极装置，该燃料电池装置具有用于输送阴极气体的阴极气体路径，其在阴极侧延伸通过膜电极装置，该燃料电池装置具有用于输送在工作时吹扫壳体的吹扫气体的吹扫气体路径，其延伸通过壳体。
尤其当用含氢气的阳极气体运行燃料电池时，必须将氢气从燃料电池装置的所选区域中去除。例如在燃料电池装置关闭的情况下必须将氢气从阳极气体路径吹出，以便去除氢气残余物。在专利文献DE 11 2008 254 T5中公开有这种燃料电池装置。此外还必须吹扫包围膜电极装置的壳体，以便能从壳体中去除由阳极气体路径逸出的氢气。在专利文献US 2007/0231628 A1中公布有这种燃料电池装置。
为了能向壳体导入和从壳体导出吹扫气体，在现有技术中已知要配设用于引导的管路和例如用于吹扫气体过滤的其他部件。但是吹扫气体路径的这些额外的管路和其他额外的部件使燃料电池装置的结构变的更复杂并且需要额外的安装空间。特别是当燃料电池装置是移动式、例如在汽车中应用时，其安装空间是受到限制的。
本发明要解决的技术问题在于，提供一种燃料电池装置，其构造简单和具有较小的空间需求，其中，可以用较小的耗费从壳体中去除氢气残余。
上述技术问题通过开始所述的燃料电池装置解决，其中，吹扫气体路径的部段通过阴极气体路径走线(Verlaufen或称为延展或伸展)。
通过使用阴极气体路径的至少一个部段用于引导阴极气体和吹扫气体，就只需要较少的部件用于吹扫气体路径的分开构造的部段，使吹扫路径所需安装空间被减小。尤其地，作为吹扫气体和作为阴极气体使用相同的气体、例如来自燃料电池装置周围的空气时，吹扫气体就可以顺利地被引导通过阴极气体路径的部段。
按照本发明的解决方案可以通过不同的、各自有利的和在未做其他说明时可以任意地相互结合的设计方案进一步改进。下面介绍这些设计方案和与其相关的优点。
吹扫气体路径部分地通过阴极气体路径的向燃料电池延伸的入口侧的部段走线和/或通过从燃料电池延伸出的出口侧的部段走线。吹扫气体路径可以至少部段式地适配于空间条件地集成在阴极气体路径中，以便能有效地利用可用的安装空间。
吹扫气体路径可以具有接在壳体前的入口侧的分开的部段和/或接在壳体后的出口侧的分开的部段。吹扫气体路径可以从阴极气体路径的输入端直到入口侧的分开的部段的输入端通过阴极气体路径延伸。备选地或者额外地，吹扫气体路径可以从出口侧分开的部段的输出端直到阴极气体路径的输出端通过阴极气体路径延伸。所以阴极气体路径的和吹扫气体路径的输入端和/或输出端可以共同构造，使得不再需要用于吹扫气体路径的额外输入端和/或出口。
吹扫气体路径的分开构造的部段的输出端可以接入阴极气体路径的入口侧的部段中。阴极气体路径的入口侧的部段将阴极气体向燃料电池引导和例如从阴极气体路径的输入端引至膜电极装置。若吹扫气体路径的分开的部段的输出端接入阴极气体路径的入口侧的部段中，吹扫气体路径的长度就相应于吹扫气体路径的分开的部段的长度和阴极气体路径的、至少在燃料电池工作中引导吹扫气体通过的部段的长度的总和。尤其地，当吹扫气体路径没有至少部段式地通过阴极气体路径延伸时，在吹扫气体的输送方向上在燃料电池后吹扫气体路径可以长于在燃料电池后吹扫气体路径出口侧的长度。由于吹扫气体路径的较大的出口侧长度，从壳体吹扫出的氢气例如可以在吹扫气体路径通过阴极气体路径延伸的部段中催化式地转化。因此就不需要用于转化从壳体吹扫出的氢气的单独的装置。
优选的是，在入口侧上，分开的部段的输出端与布置在阴极气体路径中的压缩机气体导通地连接。尤其地，该输出端可以在接在压缩机前的汇流位置上接入阴极气体路径。例如，该输出端布置在接在压缩机前的阴极气体过滤器和压缩机之间和优选地可引导吹扫气体地与阴极气体路径连接。若吹扫气体路径的分开的部段的输出端可引导吹扫气体地与布置在阴极气体路径中的压缩机的输入端连接，那么在燃料电池装置的工作中在阴极气体路径在压缩机输入端上的气体压力就小于在吹扫气体管路输入端上的压力和例如小于燃料电池装置的环境压力。这种压差足以使得例如来自环境中的吹扫气体被运送通过吹扫气体路径和尤其通过壳体，以便不需要这样的通风机，其使得吹扫气体在工作中运动通过吹扫气体路径通风机。以此又减小了燃料电池装置所需的安装空间。以此还节省了通风机工作所需的能量。
若在压缩机不工作时或者压差太小时还要用吹扫气体吹扫壳体，就可以配设用于输送吹扫气体的通风机。燃料电池装置在此可以与分开的部段的输入端和/或输出端的位置无关地具有壳体，其中，通风机优选地接在吹扫气体路径的分开的部段的输入端和输出端之间。例如通风机布置在吹扫气体路径的输入端和燃料电池的壳体之间，以便向壳体以相较于环境压力升高的压力输送吹扫气体。
备选地，吹扫气体路径的输出端和尤其吹扫气体路径的出口侧的分开的部段的输出端与阴极气体路径分开地成型，由此使得输出端的布置更好地适配于可用的安装空间并且不需要用于吹扫气体的导向阴极气体路径的管路。尤其地，不需要连接可能需要很多安装空间和较长路程的、吹扫气体路径的沿吹扫气体路径的吹扫气体输送方向位于燃料电池之后的、导向阴极气体路径的部段。由此再次减少了用于吹扫气体路径所需的安装空间。此外还需要处理待通过燃料电池的阴极气体和例如调节其含水量。用于处理阴极气体的元件可以构造得小于用于处理阴极气体和额外地处理流经阴极气体路径的吹扫气体的元件。
吹扫气体路径和尤其与阴极气体路径分开构造的部段可以具有与阴极气体路径分开成型的输入端。通过吹扫气体路径的独立于阴极气体路构造的输入端可以使吹扫气体与阴极气体无关地导入吹扫气体路径。例如可以直接从环境中提取吹扫气体并且经吹扫气体过滤器导入吹扫气体路径中。在此不需要对吹扫气体进一步的处理，与此相反的是可以处理阴极气体和尤其调节其含水量或者其温度。燃料电池装置的用于处理阴极气体的元件可以设计为，使其仅处理阴极气体而并不额外地也处理吹扫气体。因此相比于既必须处理阴极气体又必须处理吹扫气体的情况，当仅应处理阴极气体时处理元件就可以设计的较小。
然而优选的是，吹扫气体路径的分开的部段的输入端气体导通地接触阴极气体路径。例如沿阴极气体路径的输送方向在阴极气体路径的输入端之后和例如在阴极气体过滤器的输入端之后，该输入端可导气式地连接在阴极气体路径上。因此，阴极气体过滤器既可以过滤阴极气体又过滤吹扫气体。因此不需要用于吹扫气体的分开的过滤器。
尤其地，分开的部段的输入端和输出端可以相互之间有间距地、气体导通地接触阴极气体路径，由此不需要用于吹扫气体的分开的输入和输出端以及吹扫气体过滤器。优选地，阴极气体路径的连续的部段直接地气体导通地连接吹扫气体路径的分开的部段的输入端和输出端。
优选的是，连续的部段设计用于在燃料电池装置工作中、在输入端和输出端之间形成输送吹扫气体的压差。尤其当吹扫气体路径的输入端沿阴极气体路径的流动方向有间距地和在吹扫气体路径的输出端前布置时，在阴极气体路径的连续的管路部段会有例如100毫巴的压差。该压差产生于当气体通过连续的部段时连续部段的流动阻力。例如，连续的部段是具有从20mm2至100mm2、优选60mm2的内部管路横截面的管路和具有直线式或者至少具有曲线的走向。在此，吹扫气体路径的分开的部段的输入端在流动方向上或沿流动方向布置在用于阴极气体的气体过滤器之后。
例如，连续的部段使阴极气体路径的输入端或者阴极气体过滤器与沿阴极气体路径接在阴极气体过滤器之后的压缩机的输入端可导通阴极气体地连接。即阴极气体和吹扫气体可以通过阴极气体过滤器的输入端流动。在吹扫气体路径的分开的部段的输入端上，吹扫气体与流过阴极气体过滤器的输入端的气体分开并被引导通过燃料电池。在吹扫气体路径的分开的部段的输出端上，吹扫气体再次进入阴极气体路径并且可以在那里与阴极气体通过压缩机和在阴极侧引导通过燃料电池。从燃料电池排出的、会包括吹扫气体的阴极气体可以顺利地和在可能进行的处理后从燃料电池装置排出。
下面根据附图以实施例阐述本发明。附图中：
图1示出按照本发明的燃料电池装置的第一实施例示意图，
图2示出按照本发明的燃料电池装置的另外的实施例示意图，和
图3示出按照本发明的燃料电池装置的第三实施例示意图。
下面示例性地根据实施方式参照附图阐述本发明。在此，实施方式的不同的特征可以相互独立地组合，如其在单独的有利的设计方案已经说明的那样。
首先参照图1的实施例说明按照本发明的燃料电池装置的构造和功能。
图1示意性示出燃料电池装置1，其具有燃料电池2、阴极气体路径3、阳极气体路径4的部段和吹扫气体路径5。通过阴极气体路径3、阳极气体路径4和吹扫气体路径5的气体输送方向通过箭头表示。
燃料电池2构造有膜电极装置6和壳体7，其中，膜电极装置6布置在壳体7中。
阴极气体路径3具有输入端8，其例如可以构造为阴极气体过滤器9的输入端。沿阴极气体路径3优选地在输入端8之后接有压缩机10，借助其可以使阴极气体通过阴极气体路径3输送。可以沿阴极气体路径3在压缩机10后连接用于处理阴极气体的其他元件。这些用于处理阴极气体的元件例如沿阴极气体路径3布置在压缩机10和燃料电池2之间。例如，阴极气体路径3可以具有用于调节阴极气体温度的热交换器11。备选地或者额外地，阴极气体路径3可以具有湿度调节器12，可以用其改变阴极气体的水含量。热交换器11和/或湿度调节器12可以通过旁路桥接。在图1的实施例中仅示出湿度调节器可以借助阴极气体路径3的旁路桥接。
阴极气体路径3的入口侧的部段13在输入端8和燃料电池2之间延伸。
阴极气体路径3在阴极侧延伸通过膜电极装置6并且向膜电极装置6的阴极输送阴极气体。沿阴极气体路径3的输送方向在燃料电池2后有阴极气体路径3的出口侧的部段14。出口侧的部段14接入阴极气体路径3的输出端15和可以延伸通过另外的湿度调节器或者甚至通过已有的湿度调节器12。
在图1的实施例中示出，吹扫气体路径5的分开的部段的输入端16与阴极气体路径3的输入端8分开和有距离地构造。吹扫气体路径5的分开的部段的输入端16例如构造为吹扫气体过滤器17的输入端。
沿吹扫气体路径5的输送方向在输入端16后配设用于输送吹扫气体通过吹扫路径5的可选的通风机18。通风机18尤其可以沿吹扫气体路径5布置在其输入端16和燃料电池2的壳体7之间。
吹扫气体路径5延伸通过燃料电池2和尤其沿膜电极装置6延伸通过壳体7。借助吹扫气体可以吹扫在壳体7内包围膜电极装置6的空间。吹扫气体路径5的分开的部段的入口侧的部段19在输入端16和燃料电池2之间延伸。
沿吹扫气体路径5的输送方向在燃料电池2后延伸有吹扫气体路径5的分开的部段的出口侧的部段20。吹扫气体路径5的分开的部段和尤其其出口侧的部段20从燃料电池2延伸到阴极气体路径3，吹扫气体路径5的分开的部段接入阴极气体路径3入口侧的部段13。图1的实施例的吹扫气体路径5具有与阴极气体路径3分开构造的部段、即入口侧的部段19和出口侧的部段20。在吹扫气体路径5的分开构造的部段的接在燃料电池2后的输出端21上吹扫气体与阴极气体混合。
在图1的实施例中，输出端21接在阴极气体路径3的输入端8和燃料电池之间和尤其接在压缩机10之前。在压缩机10之前在阴极气体路径3中的气压低于燃料电池装置1的环境中的气压和在吹扫气体路径5的入口侧的部段19中的气压。该压差足以输送足够的吹扫气体通过燃料电池2。若气压不够或者要在压缩机10停机时也能吹扫燃料电池2，则可以配设可选的通风机18。
在吹扫气体路径5的分开构造的部段的输出端21后吹扫气体路径通过阴极气体路径3延伸，使得吹扫气体经阴极气体路径3的入口侧的部段13通过燃料电池2和通过阴极气体路径3的出口侧的部段14流动。在图1的实施例中，阴极气体路径3的输出端15和吹扫气体路径5的输出端23构成共同的输出端，在运行中通过阴极气体路径3的输入端8和吹扫气体路径5的输入端16进入的气体通过该输出端排出。
阴极气体路径3的在输出端21和输出端15之间的部段可以是引导吹扫气体和阴极气体的总管。
图2示意性示出按照本发明的燃料电池装置1的另外的实施例。对于在功能和/或构造上相应于图1的实施例的元件的元件使用相同的附图标记。为了简洁，下文中仅说明与图1的实施例的不同之处。
在图2的实施例中，吹扫气体路径5的分开的部段的输入端16没有分开地提供。确切地说，在图2的实施例中吹扫气体路径5的分开的部段的输入端16接在阴极气体路径3的输入端8之后并且例如布置在输入端8和压缩机10之间。具有可选的通风机18的入口侧的部段19在输入端16和燃料电池2之间延伸。例如，输入端16可以接在阴极气体过滤器9的输出端上。备选地如以虚线所示地，输入端16从阴极气体路径3的接在阴极气体过滤器9之后的并且从其引出的连续的部段24处分支，例如是软管或者管道。
在流过燃料电池2之后，出口侧的部段20可以这样地构造，使得其不再接入阴极气体路径3。例如吹扫气体路径5的输出端23接入燃料电池装置1的环境中。
图2的实施例的使吹扫气体和阴极气体导入运行中的总管从输入端8延伸到输入端16。
图3示意性示出按照本发明的燃料电池装置1的另外的实施例。对于在功能和/或构造上相应于前述实施例的元件的元件使用相同的附图标记。为了简洁，下文中仅说明与前述实施例的不同之处。
在图3中所示的实施例中吹扫气体路径5的入口侧的部段19相应于图2的实施例的入口侧的部段19。图3的实施例的吹扫气体路径5的分开的部段的出口侧的部段20相应于图1的实施例的吹扫气体路径5的出口侧的部段20。连贯的部段24使吹扫气体路径5的分开的部段的输入端16与其输出端21可引导气体地连接。沿阴极气体路径3的输送方向，输入端16布置在输出端21之前。例如，连续的部段24包括阴极气体过滤器9。备选地，连续的部段24也可以仅由阴极气体管路、如管道或者软管构成。
图3的实施例的燃烧电池装置1具有两个总管、即在图1和图2中所示实施例的总管。
附图标识列表
1 燃料电池装置
2 燃料电池
3 阴极气体路径
4 阳极气体路径
5 吹扫气体路径
6 膜电极装置
7 壳体
8 阴极气体路径的输入端
9 阴极气体过滤器
10 压缩机
11 热交换器
12 湿度调节器
13 阴极气体路径的入口侧的部段
14 阴极气体路径的出口侧的部段
15 阴极气体路径的输出端
16 吹扫气体路径的分开的部段的输入端
17 吹扫气体过滤器
18 通风机
19 吹扫气体路径的分开的部段的入口侧的部段
20 吹扫气体路径的分开的部段的出口侧的部段
21 吹扫气体路径的分开构造的部段的输出端
23 吹扫气体路径的分开的部段的输出端
24 阴极气体路径的连续的部段

Claims (10)

1.一种燃料电池装置(1)，其具有燃料电池(2)、阴极气体路径(3)和吹扫气体路径(5)，阳极气体路径(4)，其中，所述燃料电池(2)具有壳体(7)和布置在所述壳体(7)中的具有阴极和阳极的膜电极装置(6)，用于输送阴极气体的阴极气体路径(3)在阴极侧延伸通过膜电极装置(6)，用于输送在工作时吹扫壳体(7)的吹扫气体的吹扫气体路径(5)延伸通过壳体(7)，其特征在于，所述吹扫气体路径(5)的部段通过所述阴极气体路径(3)走线，并且所述阳极气体路径(4)与所述吹扫气体路径(5)完全分开。
2.按照权利要求1所述的燃料电池装置(1)，其特征在于，所述吹扫气体路径(5)部分地通过阴极气体路径(3)的向燃料电池(2)延伸的入口侧的部段(13)走线和/或通过从燃料电池(2)延伸出的出口侧的部段(14)走线。
3.按照权利要求1或2所述的燃料电池装置(1)，其特征在于，所述吹扫气体路径(5)具有接在所述壳体(7)前的入口侧的分开的部段(19)和接在所述壳体(7)后的出口侧的分开的部段(20)，吹扫气体路径(5)从所述阴极气体路径(3)的输入端(8)直到入口侧的分开的部段(19)的输入端(16)延伸通过阴极气体路径和/或从出口侧分开的部段(20)的输出端(21)直到阴极气体路径(3)的输出端(15)延伸通过阴极气体路径(3)。
4.按照权利要求3所述的燃料电池装置(1)，其特征在于，分开的部段(19、20)的输出端(21)接入所述阴极气体路径(3)的入口侧的部段(13)中。
5.按照权利要求3所述的燃料电池装置(1)，其特征在于，在入口侧，分开的部段(19、20)的输出端(21)与布置在所述阴极气体路径(3)中的压缩机(10)气体导通地连接。
6.按照权利要求3所述的燃料电池装置(1)，其特征在于，分开的部段(19、20)的输入端(16)沿阴极气体路径(3)的输送方向在阴极气体过滤器(9)的输入端(8)之后气体导通地接触所述阴极气体路径(3)。
7.按照权利要求3所述的燃料电池装置(1)，其特征在于，所述输入端(16)和输出端(21)相互之间有间距地、气体导通地接触所述阴极气体路径(3)。
8.按照权利要求7所述的燃料电池装置(1)，其特征在于，阴极气体路径(3)的连续的部段(24)使输入端(16)和输出端(21)气体导通地连接。
9.按照权利要求8所述的燃料电池装置(1)，其特征在于，连续的部段(24)设计用于在燃料电池装置(1)工作中在输入端(16)和输出端(21)之间形成输送吹扫气体的压差。
10.按照权利要求1或2所述的燃料电池装置(1)，其特征在于，通过通风机(18)输送吹扫气体。
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