CN111587506A - 带有与压缩机相关联的中压抽取装置的燃料电池系统以及这种燃料电池系统的使用 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种燃料电池系统，该燃料电池系统带有：至少一个布置在壳体(2)中的膜片‑电极‑单元(3)；具有压缩机(4)的阴极供应部(5)；以及用于壳体通风的装置，其中，用于壳体通风的装置具有与压缩机(4)相关联的中压抽取装置。此外，本发明涉及一种用于阴极再循环的方法。
Description
技术领域
本发明涉及一种燃料电池系统，其带有：至少一个布置在壳体中的膜片-电极-单元；具有压缩机的阴极供应部；以及用于壳体通风的装置。此外，本发明涉及使用根据本发明的燃料电池系统以用于阴极再循环。
背景技术
燃料电池系统用于在利用膜片-电极-单元的情况下通过燃料、尤其氢气与氧气的反应产生电能，该膜片-电极-单元具有传导质子的膜片，在该膜片上在一侧布置有阳极电极，且在另一侧布置有阴极电极。为了提高所提供的电能通常将多个膜片-电极-单元合并成一个堆垛，该堆垛布置在壳体中。在燃料电池系统运行时应注意的是，对于所提供的氢气量而言足够的氧气量导入到壳体中。为了确保这种情况，设置有压缩机。
此外，应注意的是，氢气从膜片-电极-单元扩散到壳体中，从而为了避免在壳体内的可燃混合物需要用于壳体通风的装置。
关于这方面，在DE 10 2015 220 641 A1中作为属于现有技术的公开如下，即，将单独的风扇用作附加的构件，以便确保壳体的足够通风。该风扇是附加的部件，所述附加的部件提高了空间需求和用于运行燃料电池系统的所需要的能量需求。
在DE 10 2013 003 470 A1中示出了一种燃料电池系统，在该燃料电池系统中，壳体具有至少一个通向周围环境的通风连接并且在压缩机的运行期间作为空气输送设备产生壳体的单独的通流。
在DE 10 31 238 A1中，在燃料电池系统中，壳体通过防爆的通风装置来通风。
发明内容
本发明的任务是，如此构造开头所提及的类型的燃料电池系统，使得简化了构造并且降低了能量需求。此外，任务是，说明一种用于阴极再循环的简单的方法。
该任务的与装置有关的部分通过一种燃料电池系统来解决，该燃料电池系统带有：至少一个布置在壳体中的膜片-电极-单元；具有压缩机的阴极供应部；以及用于壳体通风的装置，其中，用于壳体通风的装置具有与压缩机相关联的中压抽取装置。
这种燃料电池系统的特征在于如下，即，可完全放弃用于壳体通风的风扇，即省却所述部件并且也省却了为了运行所述部件所需要的能量投入。此外，充分利用如下，即，通过压缩机已经提供了空气流。为了压缩空气流和其在此出现的加热需要能量。通过本发明进一步优化了能量投入，不仅通过放弃风扇，而且通过认识到为了通风不需要完全被压缩的空气，而是即使以较小的压力已经提供足够大的用于壳体通风的空气量并且根据本发明为了壳体通风可使用与压缩机相关联的中压抽取装置。避免仅为了壳体通风的目的而需要能量地产生高的压力。
在本发明的范围内优选的是，压缩机在运行中存在于内部的中压的范围中具有排出开口，所述排出开口经由压力管路与壳体的壳体开口连接。因此，中压抽取装置可以以特别简单的方式通过在压缩机中构造排出开口来实现，所述排出开口可与否则用于风扇的压力管路连接。
此外，已被证明为适宜的是，排出开口和/或压力管路和/或壳体开口关联有阀。在此，阀可设计为被动阀，其在超出最小压力的情况下自动地打开。因此确保了，只有当同样足够的空气量供使用，即压力管路中的每个空气流动都引起可靠的壳体通风时，则才存在给壳体通风的运行状态，这如有可能简化了监测和调节。此外，有利的是，中压抽取装置关联有主动的节流机构(Drosselorgan)，利用该主动的节流机构又可例如根据布置在壳体中的氢气传感器的测量值来调节所抽取的空气量。
此外，在本发明的范围内设置成，所述压缩机从包括螺旋压缩机和罗茨压缩机(Rootsverdichter)的组中选取。在螺旋压缩机中，例如压力沿螺旋纵向方向连续地增加，从而简单地通过将排出开口布置在压缩机中部、即以与其端部的足够距离实现中压抽取。
为了避免，通过用于壳体通风的装置在壳体内构建提高的压力，该提高的压力反作用于其他空气的流入，壳体具有壳体通风的排出开口。该排出开口可最简单地引导到露天(Freie，有时也称为室外)中到外部周围环境中。然而优选的是，换气管路从排出开口引导至处于涡轮下游的涡轮排出部，以便由此能够继续使用通过压缩机所提供的压缩空气。适宜的是，第一截止阀布置在压缩机前，且第二截止阀布置在换气管路在涡轮排出部处的联接部后。
利用这种结构上的构造可实现解决与方法相关的部分任务，即，使用燃料电池系统用于实现阴极再循环，包括以下步骤：
- 将第一截止阀闭合；将第二截止阀闭合；借助于压缩机通过中压抽取装置将气体从壳体中抽吸；将在中压抽取装置下游直至压缩机排出部的气体压缩；并且使气体通过壳体流动至涡轮并且经由换气管路通过壳体流动返回至所述压缩机。
因此，利用根据本发明的燃料电池系统可以减缓或甚至克服在燃料电池的运行时的另一个缺点，即当在起动时在膜片-电极-单元的阳极侧如在膜片-电极-单元的阴极侧那样存在有氧气时燃料电池的损伤，这导致空气-空气-起动的问题，其总是当在燃料电池系统切断之后发生氧气输入时存在。在此，阴极再循环用于如下目的，通过使通过第一截止阀和第二截止阀闭合的系统循环来使其余氧气镇静。
附图说明
本发明的其他优点、特征和细节由权利要求书、优选的实施方式的随后描述以及依据附图得出。在此：
图1示出带有被修改成中压抽取装置的压缩机的燃料电池系统的示意性的简化图示，
图2示出带有与壳体的排出开口相关联的换气管路的相应于图1的图示，
图3示出再次经修改的实施方式的相应于图1的图示，其中，适合用来使用于阴极再循环，以及
图4示出带有中压抽取装置的实施为螺旋压缩机的压缩机的示意图。
具体实施方式
在图1中示意性地示出燃料电池系统1，在该燃料电池系统中，多个膜片-电极-单元3被合并成通过矩形以符号表示的堆垛，该堆垛布置在壳体2中。该堆垛必须为了运行而被供应以运行介质，即一方面被供应以燃料、尤其氢气或含氢气的气体混合物，并且另一方面被供应以含有氧气的气体混合物、尤其空气，该空气形成阴极-运行介质。该空气通过过滤器输送给压缩机4，在该压缩机中，该空气被压缩并且因此被加热。空气经由增压空气冷却器6输送给加湿器7并且从该加湿器输送给堆垛。
添加给燃料电池1的氢气可从该燃料电池扩散到壳体2中，从而存在可燃混合物富集的危险。这通过用于壳体通风的装置来预防，其根据本发明通过与压缩机4相关联的中压抽取装置(Mitteldruckentnahme)10实现。
压缩机4可相应于在图4中示出的设计方案构造为螺旋压缩机，在该螺旋压缩机中，压力沿着螺旋纵向方向连续地增加。如果将孔作为排出开口11带入到压缩机4的壁部中，则在该排出开口处存在与压缩机长度对应的压力，该压力相对于在压缩机4的输入端(Eingang)处以及在压缩机4的输出端(Ausgang)处存在的压力可被称为中压。
与压缩机4相关联的排出开口11经由压力管路12与壳体2的壳体开口13连接，其中，排出开口11和/或压力管路12和/或壳体开口13可关联有阀14。在图1至3中示出的实施例中，阀14布置在压力管路12中，其中，阀14可设计为被动阀，该被动阀在超出最小压力的情况下自动地打开，以便如此确保，只有当质量流也足以确保期望的壳体通风时，才在压力管路12中存在空气流动。也存在如下可行性方案，即，中压抽取装置10关联有主动的节流机构，该主动的节流机构也设计为阀，以便除了针对质量流的下限以外也能够设置上限，以便如此避免从压缩机4抽取比用于实现期望的壳体通风所需要的更多的空气。
在图1中示出的实施例中，壳体2具有壳体通风的排出开口15，该排出开口因此将空气输出到周围环境处。
图2示出一种备选的实施例，在该实施例中，换气管路16从排出开口15引导至处于涡轮8下游的涡轮排出部，从而经由中压抽取装置10从压缩机4输送给壳体2的空气可在利用之后在壳体2中继续使用。
图3示出另一种实施例，在该实施例中，第一截止阀17布置在压缩机4前，且第二截止阀18布置在换气管路到涡轮排出部处的联接部后。利用该实施方式能够以简单的方式实现阴极再循环，该阴极再循环用于，在切断的系统重新起动之后避免所谓的空气-空气-起动的问题，其在膜片-电极-单元3的膜片的阳极侧和阴极侧存在氧气时出现。阴极再循环在燃料电池系统重新起动时通过闭合第一截止阀17、闭合第二截止阀18以及借助于压缩机4通过中压抽取装置10将气体从壳体2中抽吸开始。通过中压抽取装置10进入到压缩机4中的气体直至压缩机排出部被压缩并且然后通过壳体2流动至涡轮8，并且经由换气管路16通过壳体2流动返回至压缩机4。阴极-再循环引起剩余存在氧气的镇静(Abreagieren)。
附图标记列表
1 燃料电池系统
2 壳体
3 膜片-电极-单元
4 压缩机
5 阴极供应部
6 增压空气冷却器
7 加湿器
8 涡轮
9 过滤器
10 中压抽取装置
11 排出开口
12 压力管路
13 壳体开口
14 阀
15 排出开口
16 换气管路
17 第一截止阀
18 第二截止阀。
Claims (10)
1.燃料电池系统，所述燃料电池系统带有：至少一个布置在壳体(2)中的膜片-电极-单元(3)；具有压缩机(4)的阴极供应部(5)；以及用于壳体通风的装置，其特征在于，所述用于壳体通风的装置具有与所述压缩机(4)相关联的中压抽取装置(10)。
2.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，所述压缩机(4)在运行中存在于内部的中压的范围中具有排出开口(11)，所述排出开口经由压力管路(12)与所述壳体(2)的壳体开口(13)连接。
3.根据权利要求2所述的燃料电池系统，其特征在于，所述排出开口(11)和/或所述压力管路(12)和/或所述壳体开口(13)关联有阀(14)。
4.根据权利要求3所述的燃料电池系统，其特征在于，所述阀(14)设计为被动阀，所述被动阀在超出最小压力的情况下自动地打开。
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，所述中压抽取装置关联有主动的节流机构。
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，所述压缩机(4)从包括螺旋压缩机和罗茨压缩机的组中选取。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的燃料电池系统，其特征在于，所述壳体(2)具有壳体通风的排出开口(15)。
8.根据权利要求7所述的燃料电池系统，其特征在于，换气管路(16)从所述排出开口(15)引导至处于涡轮(8)下游的涡轮排出部。
9.根据权利要求8所述的燃料电池系统，其特征在于，第一截止阀(17)布置在所述压缩机(4)前，且第二截止阀(18)布置在所述换气管路(16)在所述涡轮排出部处的联接部后。
10.根据权利要求9所述的燃料电池系统用于实现阴极再循环的使用，包括以下步骤：
将所述第一截止阀(17)闭合，
将所述第二截止阀(18)闭合，
借助于所述压缩机(4)通过所述中压抽取装置(10)将气体从所述壳体(2)中抽吸，
将在所述中压抽取装置(10)后直至所述压缩机排出部的气体压缩，并且
使所述气体通过所述壳体(2)流动至所述涡轮(8)并且经由所述换气管路(16)通过所述壳体(2)流动返回至所述压缩机(4)。
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