CN112204788A - 用于加湿反应物的方法和用于执行该方法的燃料电池系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于加湿在带有燃料电池堆组(2)的燃料电池系统(1)中的反应物的方法，该燃料电池堆组与加湿器(10)流体连接，其中加湿器(10)具有膜片(11)，在该膜片的表面(12)处构造有通道(13)。通道(13)中的至少一个关联有存储元件(14)以用于暂时存储液态水，其中该方法包括如下步骤：将液态水从燃料电池堆组(2)中取出且将液态水供应到加湿器(10)处，将液态水的至少一部分容纳到存储元件(14)中且将该部分暂存在其中，通过蒸发液态水至少部分地排空存储元件(14)且借助于蒸发的液态水加湿待供应给燃料电池堆组(2)的反应物，其中液态水不仅在阳极侧而且在阴极侧从燃料电池堆组(2)中被取出。此外，本发明涉及一种用于执行该方法的燃料电池系统(1)。

Description

用于加湿反应物的方法和用于执行该方法的燃料电池系统
技术领域
本发明涉及一种用于加湿在带有燃料电池堆组的燃料电池系统中的反应物的方法，该燃料电池堆组与加湿器流体连接，其中加湿器具有膜片，在该膜片的表面处构造有通道，其中通道中的至少一个关联有存储元件以用于暂时存储液态水，该方法包括如下步骤：
- 将液态水从燃料电池堆组中取出且将液态水供应到加湿器处，
- 将液态水的至少一部分容纳到存储元件中且将该部分暂存在其中，
- 通过蒸发液态水至少部分地排空存储元件且借助于被蒸发的液态水加湿待供应给燃料电池堆组的反应物。
此外，本发明涉及一种用于执行该方法的燃料电池系统，带有燃料电池堆组，该燃料电池堆组与用于在阳极侧供应阳极气体的阳极供应导管和用于引出阳极排气的阳极排气导管连接，且该燃料电池堆组与用于在阴极侧供应阴极气体的阴极供应导管且与阴极排气导管连接。阴极排气导管与加湿器流体连接且加湿器具有可透水蒸气的膜片，在该膜片的表面处构造有通道，其中通道中的至少一个关联有存储元件以用于暂时存储液态水。
背景技术
DE 10 2015 122 144 A1描述了一种带有加湿器的燃料电池系统。液态水在阴极侧从阴极引出导管被供应给加湿器。此外，加湿器包括带有用于容纳液态水的存储元件的流场，该液态水经由膜片被送出到干的阴极气体处且加湿该阴极气体。
此外，在燃料电池系统中通常积聚液态水，这在进入到燃料电池堆组中的情况中可导致妨碍运行且导致损坏堆组。因此，液态水通常被收集在分离器中且通过阀的接通连续地被排放到气流中或到车道上且由此大部分未被利用。
发明内容
本发明的任务是提供一种用于加湿反应物的方法和一种用于执行该方法的燃料电池系统，借助于该方法和该燃料电池系统使在减小加湿器的结构尺寸的同时适当地加湿反应物成为可能。
该任务的涉及方法的部分通过带有权利要求1的特征的方法解决。带有该方法的适宜的改进方案的有利的设计方案在其从属权利要求中给出。
尤其地，液态水不仅在阳极侧而且在阴极侧从燃料电池堆组中被取出。通过液态水暂时存储在流场中和紧接着取出，需要更少量的液态水传输通过加湿器膜片，由此可减小加湿器的膜片面积且因此减小加湿器的结构尺寸。通过将液态水不仅在阴极侧而且在阳极侧供应给加湿器，更大体积的液态水可存储在加湿器中且在需要时被取出。如此总归在阳极腔和阴极腔中积聚的水不必在未经利用的情况下被导出，而是可被继续使用。
在一种有利的设计方案中设置成，当膜片的湿度低于预设的或可预设的阈值时，进行将液态水从存储元件中排空。该阈值可借助于加湿器的导电率来确定。备选地，液态水也可从存储元件中以定期的时间周期自动地被排空。在另外的备选的设计方案中，当没有液态水从燃料电池堆组供应或可从燃料电池堆组供应，或燃料电池系统以在其中存在更高的水需求的运行模式操作时，则排空存储元件。
该任务的涉及燃料电池系统的部分通过带有权利要求3的特征的燃料电池系统解决。带有燃料电池系统的适宜的改进方案的有利的设计方案在其从属权利要求中给出。
尤其地设置有与阳极排气导管连接的液态水供应导管，其间接地或直接地与加湿器相连接，以为了在阳极侧供应液态水到加湿器中。这使如下成为可能，即在阳极侧积聚的水也没有在未经利用的情况下从燃料电池系统中被引出，而是可被供应给加湿器，以为了被暂时存储在至少一个存储元件中。通过液态水有效地暂时存储在所述至少一个存储元件中，在取出液态水的情况中可进行反应物的加湿，由此需要更少量的水传输通过加湿器的膜片，由此可减小膜片面积且因此可减小加湿器的结构尺寸。在此，在一种设计方案中，阳极排气导管可通过如下方式直接经由湿式供应导管与加湿器连接，即加湿器具有用于湿式供应导管的附加的接口。在一种备选的且优选的设计方案中，阳极排气导管通过如下方式间接地与加湿器连接，即湿式供应导管与阴极排气导管和/或与阴极供应导管连接。特别优选地，湿式供应导管与阴极供应导管在压缩机下游连接。这使从加湿器两侧供应液态水成为可能且导致液态水在流场中更均匀的填充和存储。在此特别优选的是，在液态水导管中在到阳极排气导管的连接部处和/或在到阴极排气导管的连接部处和/或在到阴极供应导管的连接部处分别布置有形成为阀的设定单元，以为了控制液态水到加湿器中的供应。尤其地优选的是，设置有多个与通道相关联的存储元件，从而使在加湿器的结构尺寸减小的情况中带有存储的液态水的更大的流场和由此均匀地加湿反应物成为可能。存储元件可在整个表面上(有规则地)分布地布置，或备选地布置在表面的个别区域中、尤其布置在特别干燥的区域中。
尤其地有利的是，通道通过多个布置在表面处的流分隔件形成，且流分隔件中的至少一个具有垂直于流分隔件的纵向延伸伸延的连接通道以用于在通道之间的压力平衡。这使待存储的液态水的更均匀的分布成为可能且导致加湿器的改进的稳定性。在此尤其设置成，所述至少一个存储元件构造在通道中和/或布置成构造在流分隔件处。就此而言优选的是，连接通道的数量匹配于存储元件的数量。
此外优选的是，连接通道的直径如此选择，即使得在存储元件中的液态水的表面张力阻碍液态水穿过连接通道。这使液态水可保持在存储元件中成为可能。
有利地，流分隔件彼此如此布置，即使得形成或存在带有第一直径的宽通道和带有相关于第一直径更小的直径的窄通道。尤其地优选的是，窄通道中的至少一个布置成相邻于宽通道中的一个。这使液态水在窄通道中相比于在宽通道中以更高的速度运动成为可能，即在窄通道中的静压比在宽通道中更低。通过连接通道获得压力平衡且液态水被吸取到存储器中。
在一种备选的设计方案中设置成，存储元件形成为在流分隔件处构造或布置的凹入部，液态水可容纳在该凹入部中。凹入部优选地以与流动方向相反指向地敞开的方式构造在宽通道中。
膜片的一种可特别简单地制造的设计方案设置，在通道中的一个中如此构造有至少两个突起部，即存储元件形成为在两个突起部之间的凹入部。突起部例如可形成为节瘤状部。
在另一备选的设计方案中设置成，在宽通道中的一个中如此构造有至少两个突起部，即存储元件形成为在两个突起部之间构造的凹入部。尤其地，多个突起部可布置在宽通道中。
附图说明
本发明的另外的优点、特征和细节从权利要求、优选的实施形式的下面的描述中以及借助于附图得出。在此：
图1显示了燃料电池系统的示意图，
图2显示了加湿器的膜片的第一实施形式的示意图，
图3显示了加湿器的膜片的第二实施形式的示意图，
图4显示了加湿器的膜片的第三实施形式的示意图。
具体实施方式
图1显示了根据本发明的一种优选的设计方案的燃料电池系统1。燃料电池系统1是未进一步示出的车辆、尤其燃料电池车辆的部分，该车辆具有电动牵引马达，该电动牵引马达借助于燃料电池系统1被供应电能。
燃料电池系统1包括燃料电池堆组2作为核心部件，该燃料电池堆组具有大量以堆组形式布置的未进一步示出的燃料电池。每个燃料电池分别关联有阳极腔18以及阴极腔19，其中阳极和阴极通过可传送离子的聚合物电解质膜片彼此分开。在两个这样的膜片电极组件之间此外分别布置有未进一步示出的双极板，该双极板用于将反应物供应到阳极腔和阴极腔18,19中且此外在各个燃料电池之间建立电连接。
为了给燃料电池堆组2供应反应物，燃料电池堆组2在阳极侧与阳极供应导管20连接以用于从阳极气体存储器22中供应含氢气的阳极气体以及与阳极排气导管21以用于输出未反应的阳极气体。
在燃料电池堆组2的阳极侧上的阳极运行压力可经由在阳极供应导管20中的第一设定单元23来调节。此外，燃料电池系统1在阳极侧如示出的那样可具有燃料再循环导管24，其将阳极排气导管21与阳极供应导管20连接。燃料的再循环是常见的，以为了将大部分过化学计量地使用的燃料引导返回燃料电池堆组2且利用该燃料。在燃料再循环导管24中可布置有未示出的再循环风机，利用该再循环风机可调节再循环速率。还可存在第二设定单元29。
在阴极侧，燃料电池堆组2与阴极供应导管4相连接以为了供应含氧气的阴极气体。为了输送和压缩阴极气体，在阴极供应导管4的构造为干式供应导管9的部分中布置有压缩机3。在示出的设计方案中，压缩机3设计为主要电动地驱动的压缩机3，该压缩机的驱动经由装备有相应的功率电子设备25的电动马达26进行。
经由压缩机3借助于干式供应导管9将从周围环境中吸取的阴极气体引导到加湿器10。阴极供应导管4的第二部分将加湿器10与燃料电池堆组2连接且将已加湿的阴极气体传送到燃料电池堆组2的阴极腔18。此外，液态水和未反应的阴极气体经由阴极排气导管5被传送返回到加湿器10或未反应的阴极排气(尤其排出空气)必要时从燃料电池堆组2的阴极腔18中被供应到未示出的排气装置。最后，加湿器10还具有加湿器引出导管27，在该加湿器引出导管中布置有涡轮机28，该涡轮机借助于流动通过加湿器引出导管27的加湿器排气来驱动且由此继而借助于未示出的共同的轴辅助压缩机3的驱动。加湿器引出导管27此外在涡轮机28之前具有未示出的水分离器，其防止涡轮机28免受由于在穿流加湿器10之后同样还在阴极排气中携带的水蒸气引起的损伤。
此外设置有液态水供应导管7，其通过如下方式间接地将阳极排气导管21与加湿器10连接，即借助于液态水供应导管7将阳极排气导管21与阴极排气导管5连接。此外，液态水供应导管7在压缩机3下游与阴极供应导管4、即与干式供应导管9连接。这使不仅将在阴极侧积聚的液态水(产出水)而且将在阳极侧在燃料电池堆组2中积聚的液态水供应到加湿器10中成为可能。在此，在液态水供应导管7中布置有用于控制液态水从阳极排气导管21中的供应的第三设定单元30、用于控制液态水到阴极排气导管5中的供应的第四设定单元31和用于控制液态水到阴极供应导管4中或者到干式供应导管9中的供应的第五设定单元32。
加湿器10具有多个可渗透水蒸气的膜片11，其构造成扁平的。在此，膜片11的一侧由相对干的阴极气体流经且另一侧由相对湿的阴极排气(排气)流经。以通过在阴极排气中的水蒸气处的较高分压驱使的方式，发生水蒸气经由膜片11逾越到阴极运行气体中，该阴极运行气体以该方式被加湿。
最后，干式供应导管9经由具有旁通设定单元的旁通导管34与加湿器引出导管27连接。
图2至4显示了加湿器10的膜片11的表面12的不同设计方案的非常简化的示图。在此，在表面12处沿着流动方向35构造有多个通道13以用于包含液态水的气流的穿流。通道13通过布置在表面12处的流分隔件6形成且其关联有多个存储元件14以为了暂时存储液态水。
在膜片11的在图2中示出的设计方案中，流分隔件6如此布置，即使得形成带有第一直径的宽通道15和带有关于第一直径更小的直径的窄通道16。在流分隔件6处，在宽通道15中布置有构造为凹入部的存储元件14。所述存储元件优选地构造成以与流动方向35相反指向的方式敞开。气流在宽通道15中相比于在窄通道16中以更慢的速度运动，从而在窄通道16中相比于在宽通道15中存在更低的静压。每个宽通道15布置成与窄通道16相邻且每两个形成第一窄通道16的流分隔件6交替地彼此偏移地布置。这继而使存储元件14可彼此偏移地布置且与此相应地构造得更大成为可能。这导致，通过存储元件14构造的流场具有液态水的更大的存储容量。由此，加湿器10的结构尺寸继而可减小。流分隔件6具有多个垂直于流分隔件6的纵向方向伸延的连接通道8以用于在窄通道与宽通道15,16之间的压力平衡。这导致，液态水被吸取到存储元件14中。此外，连接通道8的直径如此选择，即使得在存储元件14中的液态水的表面张力防止液态水穿过连接通道8。
加湿器10的在图3中示出的第二膜片11同样在表面12处具有宽通道和窄通道15,16。然而，每一个窄通道16布置成相邻于另一窄通道16和相邻于一个宽通道15。仅仅每隔一个流分隔件6具有多个垂直于流分隔件6的纵向延伸构造的连接通道8。此外，在宽通道15中在流分隔件6中的一个旁边构造有多个突起部17，其中在流分隔件6处在突起部17之间分别构造有连接通道8。由此在突起部17之间存储元件14形成为凹入部。此外，借助于连接通道8液态水吸取到存储元件4中且保持在其中。
图4显示了加湿器10的膜片11的可特别简单地制造的第三设计方案。该第三设计方案通过以下方式而不同，即流分隔件6彼此如此布置，即使得通道13具有近似相同的直径。此外，在流分隔件6上如此构造有突起部17，即使得存储元件14构造在突起部17之间。
在此，用于加湿在燃料电池系统1中的反应物的方法包括如下步骤：
首先，从燃料电池堆组2中取出液态水。这不仅在阳极侧通过以下方式发生，即液态水由阳极腔19借助于液态水供应导管7被引导到阴极排气导管5中或到阴极供应导管4中且由此到加湿器10，而且在阴极侧通过以下方式发生，即液态水从阴极腔18借助于阴极排气导管5被引导到加湿器10中。如此借助于气流引导到膜片11中的液态水流动通过在表面12处构造的通道13且至少部分地容纳且暂存到存储元件14中或同样到存储元件14的一部分中。最后，存储元件14通过蒸发包含在其中的液态水至少部分被排空且借助于被蒸发的液态水加湿待供应给燃料电池堆组2的阴极气体。在此，尤其当燃料电池系统1以在其中需要更多的水的运行模式操作时或当膜片11低于预设或可预设的湿度阈值时，则进行排空。
通过液态水暂时存储在加湿器10的膜片11的通过存储元件形成的流场中和紧接着取出，需要更少量的液态水传输穿过膜片11，由此可减小加湿器10的膜片面积且由此也减小加湿器10的结构尺寸。
参考标号列表
1 燃料电池系统
2 燃料电池堆组
3 压缩机
4 阴极供应导管
5 阴极排气导管
6 流分隔件
7 液态水供应导管
8 连接通道
9 干式供应导管
10 加湿器
11 膜片(加湿器)
12 表面
13 通道
14 存储元件
15 宽通道
16 窄通道
17 突起部
18 阳极腔
19 阴极腔
20 阳极供应导管
21 阳极排气导管
22 阳极气体存储器
23 第一设定单元
24 燃料电池再循环导管
25 功率电子设备
26 电动马达
27 加湿器引出导管
28 涡轮机
29 第二设定单元
30 第三设定单元
31 第四设定单元
32 第五设定单元
33 旁通设定单元
34 旁通导管
35 流动方向

Claims (10)

1.一种用于加湿在带有燃料电池堆组(2)的燃料电池系统(1)中的反应物的方法，该燃料电池堆组与加湿器(10)流体连接，其中所述加湿器(10)具有膜片(11)，在该膜片的表面(12)处构造有通道(13)，其中所述通道(13)中的至少一个关联有存储元件(14)以用于暂时存储液态水，所述方法包括如下步骤：
- 将所述液态水从所述燃料电池堆组(2)中取出且将所述液态水供应到所述加湿器(10)处，
- 将所述液态水的至少一部分容纳到所述存储元件(14)中且将所述部分暂存在其中，
- 通过蒸发所述液态水至少部分地排空所述存储元件(14)且借助于被蒸发的液态水加湿待供应给所述燃料电池堆组(2)的反应物，
其特征在于，所述液态水不仅在阳极侧而且在阴极侧从所述燃料电池堆组(2)中被取出。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，当所述膜片(11)的湿度低于预设的或可预设的阈值时，进行将所述液态水从所述存储元件(14)中排空。
3.一种用于执行根据权利要求1或2所述的方法的燃料电池系统(1)，带有燃料电池堆组(2)，该燃料电池堆组与用于在阳极侧供应阳极气体的阳极供应导管(20)和用于引出阳极排气的阳极排气导管(21)连接，且该燃料电池堆组与用于在阴极侧供应阴极气体的阴极供应导管(4)且与阴极排气导管(5)连接，其中所述阴极排气导管(5)与加湿器(10)流体连接且所述加湿器(10)具有可透水蒸气的膜片(11)，在该膜片的表面(12)处构造有通道(13)，其中所述通道(13)中的至少一个关联有存储元件(14)以用于暂时存储液态水，其特征在于，设置有与所述阳极排气导管(21)连接的液态水供应导管(7)，该液态水供应导管间接地或直接地与所述加湿器(10)连接以为了在阳极侧供应液态水到所述加湿器(10)。
4.根据权利要求3所述的燃料电池系统(1)，其特征在于，所述液态水供应导管(7)与所述阴极排气导管(5)和/或与所述阴极供应导管(4)连接。
5.根据权利要求3或4所述的燃料电池系统(1)，其特征在于，所述通道(13)通过多个布置在所述表面(12)处的流分隔件(6)形成，且所述流分隔件(6)中的至少一个具有垂直于所述流分隔件(6)的纵向延伸伸延的连接通道(8)以用于在所述通道(13)之间的压力平衡。
6.根据权利要求5所述的燃料电池系统(1)，其特征在于，所述连接通道(8)的直径如此选择，即使得在所述存储元件(14)中的液态水的表面张力阻碍所述液态水穿过所述连接通道(8)。
7.根据权利要求5或6所述的燃料电池系统(1)，其特征在于，所述流分隔件(6)彼此如此布置，即使得形成有带有第一直径的宽通道(15)和带有相关于所述第一直径更小的直径的窄通道(16)，且所述窄通道(16)中的至少一个布置成相邻于所述宽通道(15)中的一个。
8.根据权利要求5至7中任一项所述的燃料电池系统(1)，其特征在于，所述存储元件(14)形成为在所述流分隔件(6)处构造或布置的凹入部。
9.根据权利要求7所述的燃料电池系统(1)，其特征在于，在所述通道(13)中的一个中如此构造有至少两个突起部(17)，即所述存储元件(14)形成为在所述两个突起部(17)之间构造的凹入部。
10.根据权利要求4至7中任一项所述的燃料电池系统(1)，其特征在于，在所述宽通道中的一个中如此构造有至少两个突起(17)，即使得所述存储元件(14)形成为在所述两个突起部(17)之间构造的凹入部。
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