CN116134648A - 在阳极路径中具有偏转部的燃料电池系统 - Google Patents

在阳极路径中具有偏转部的燃料电池系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种燃料电池系统(100)，包括至少一个燃料电池(101)；和用于向所述至少一个燃料电池(101)提供含燃料反应物的阳极路径(10)，其中，所述阳极路径(10)具有用于向所述至少一个燃料电池(101)提供含燃料反应物的进入管路(11)和用于从所述至少一个燃料电池(101)导出含燃料反应物的排出管路(12)，并且其中，在所述进入管路(11)和所述排出管路(12)之间设置再循环装置(14)，以便将未消耗的燃料提供返回给所述燃料电池(101)。根据本发明，在所述进入管路(11)中在燃料电池入口(E)处设置偏转部(20)，以便分离水。

Description

在阳极路径中具有偏转部的燃料电池系统
技术领域
本发明涉及根据独立装置权利要求的前序部分所述的燃料电池系统。
背景技术
燃料电池系统在氧气的帮助下将氢气转化为电能、废热和水，氧气大多来自简单的环境空气。燃料电池系统通常具有多个燃料电池，它们安装成一个堆叠，所谓的堆垛。为了给燃料电池系统供给以反应物，设置供给通道，该供给通道给各个燃料电池供给以氢气和空气，并且运走耗尽的潮湿废气和耗尽的阳极废气。在氢气供给管路中，通常使用循环泵，例如呈射束泵或由射束泵和氢气鼓风机的混合解决方案的形式，以便将来自阳极废气的未消耗的氢气送回给燃料电池。水也通过这些过程到达燃料电池的阳极侧。水构成发生在燃料电池中的电化学反应的阻碍。在气态下，水降低了电池单体电压，如果水以高浓度存在，则会损坏电池单体，因为电池单体不再被供给以足够的氢气。在液态下，水可以阻挡隔膜上的活性层并且因此将燃料电池的部分局部地切断氢气供给。在此出现损害的副反应。因此，在燃料电池的出口处，将积累的产物水借助水分离器从阳极废气中分离。这通常直接在燃料电池堆叠的阳极出口处发生。然而，水分离器并没有实现从阳极气体中去除所有水。
发明内容
根据一个方面，本发明设置具有独立装置权利要求的特征的燃料电池系统，尤其来自特征部分的特征。本发明的另外的优点、特征和细节由从属权利要求、说明书和附图得出。在此，当然与根据本发明的不同方面结合地描述的特征和细节也对与根据本发明的其它方面结合的特征和细节有效，反之亦然，因此关于对本发明的各个方面的公开始终可以相互参考或能够相互参考。
本发明设置一种燃料电池系统，其包括至少一个燃料电池和用于向至少一个燃料电池提供含燃料反应物的阳极路径，其中，阳极路径具有用于向至少一个燃料电池提供含燃料反应物的进入管路和用于将含燃料反应物从至少一个燃料电池导出的排出管路，并且其中，在进入管路和排出管路之间设置一个再循环装置，以便将未消耗的燃料回馈给燃料电池。在进入管路中，根据本发明，在燃料电池入口处设置一个偏转部(或换言之，设置一个不间断的和/或与进入管路材料相同地构造的偏转区段)，以便分离水、尤其是渗入到排出管路中的产物水或以任何其它方式，例如通过冷凝到达的水，优选地通过水的重力和/或通过由于含燃料反应物流动而产生的压力降。
根据本发明的燃料电池系统可以以燃料电池堆叠，即所谓的燃料电池堆垛的形式实施，该燃料电池堆叠具有多个呈单个燃料电池、优选PEM燃料电池的形式堆叠的重复单元。
根据本发明的燃料电池系统可以有利地用于移动应用，例如在机动车中，或用于固定应用，例如在发电机设备中。
偏转部是进入管路的整体部分或区段，其根据本发明以特定方式在到至少一个燃料电池中的入口处形成，并且使得包括渗入到排出管路中的产物水分离。进入管路的偏转部或者说该区段构造为，水的重力和/或由于含燃料反应物流动而产生的压力降将水从燃料电池入口输送走，在那里水被收集和/或向外运走和/或运走到阴极路径的废气管路中，必要时通过排水阀控制。此外，在排出管路中可以添加一个初级水分离器。然而，原则上可以考虑，在排出管路中没有水分离器的情况下或仅通过排出管路中的水分离器的支持下，偏转部也能够将水可靠地运走。
本发明的构思在于，阳极侧的液态水，尤其在初级水分离器和新鲜气体配量装置的下游，从进入管路中分离。根据本发明，偏转部设置在再循环装置，例如呈射束泵形式的再循环装置之后。有利地，偏转部可以以弯管分离器的形式实施。在偏转部处可以设置至少一个第一排水孔。偏转部可以优选地具有突出的棱边，例如在周向侧上，至少部分地或完全在周向侧上。可选地，偏转部可以在其最低点处具有第二水分离器和必要时第二排水孔。液态水通过偏转部强制地通过再循环装置上的驱动的压力降，例如借助驱动的压力降直接流出到第一水分离器中或流出到第一水分离器的排水口中。此外，可以在偏转部内并且优选与偏转部同轴地设置一个收集槽，使得进入管路在该区域中形成一个双壁管，例如呈倒置的漏斗或倒置的截锥体形式。收集槽可以在进入管路的周边上收集从燃料电池入口可能流下的液态水，并且将其有针对性地例如引导到偏转部的第一排水孔中。在此，驱动力是水的重力。
至少一个燃料电池在本发明意义上优选布置在阳极路径上方，该阳极路径具有进入管路和排出管路，以便利用水的重力通过根据本发明的偏转部。
水通过根据本发明的偏转部的流出可以优选地以与含燃料反应物的流动方向相反的流动方向进行。
此外，在燃料电池系统中，本发明可以设置，偏转部以弯管分离器的形式实施。因此，可以以简单和成本低的方式实现偏转部。
此外，在燃料电池系统中，本发明可以设置，偏转部以倒置的漏斗和/或倒置的截锥体的形式(从燃料电池系统的竖直方向或堆叠方向看)实施，该偏转部优选以最窄部位指向燃料电池入口的方向并且以最宽部位背离燃料电池入口。因此，可以有利于水的流出。
此外，在燃料电池系统中，本发明可以设置，偏转部具有一个凸缘元件，该凸缘元件优选在周向侧上从进入管路突出并且尤其低于燃料电池入口。因此，较轻的含燃料反应物的流体可以流过在燃料电池入口处的较窄的开口，而较重的水则在凸缘元件上反弹并且被分离。
此外，在燃料电池系统中，本发明可以设置，偏转部，尤其凸缘元件具有(至少)一个第一排水孔，该第一排水孔优选地背离(或者说远离)燃料电池入口并且尤其弧形地或基本上垂直地下降(从燃料电池系统的竖直方向或堆叠方向看)。因此，收集的水可以从进入管路中流出。
此外，在燃料电池系统中，本发明可以设置，在远离燃料电池入口的方向上并且尤其朝第一排水孔的方向，在偏转部处设置(在周向侧上至少部分地在偏转部的区域中的进入管路内成形的)收集槽，用于流下的水。有利地，收集槽可以有利于水的收集。
此外，在燃料电池系统中，本发明可以设置，收集槽在最窄部位处具有小于燃料电池入口和燃料电池出口的直径。因此，可以说在燃料电池入口处提供一个喷嘴。
此外，在燃料电池系统中，本发明可以设置，收集槽以倒置的漏斗和/或倒置的截锥体的形式实施，其优选以最窄部位指向燃料电池入口的方向并且以最宽部位背离燃料电池入口。因此，可以通过收集槽和偏转部形成一个双壁管，该双壁管使水在这些壁之间(基本向下)漩涡状地流出，并且使得含燃料反应物能够在内管内以相反的方向(基本向上)利用喷嘴效应流过。
此外，在燃料电池系统中，本发明可以设置，在偏转部的区域中，收集槽(至少部分地在周向侧上)与进入管路同轴地布置，和/或在偏转部的区域中，收集槽和进入管路形成一个双壁的管件。因此，收集槽可以以有利的方式改善偏转的功能性。
此外，在燃料电池系统中，本发明可以设置，在排出管路中设置第一水分离器或者说初级水分离器。在本发明意义上，初级水分离器可以有利地附加于偏转部设置。
此外，在燃料电池系统中，本发明可以设置，在偏转部和再循环装置之间设置第二水分离器或者说次级水分离器。第二水分离器可以实施为偏转部的一部分，例如呈在偏转部的最低部位处的凹陷形式。水在尤其以控制和/或调节的方式，例如通过一个排水阀流出之前可以被收集在第二水分离器中。
根据另一优点，可以在初级水分离器和/或次级水分离器中设置吸水材料。
此外，在燃料电池系统中，本发明可以设置，偏转部，尤其在第二水分离器处具有第二排水孔，该第二排水孔优选地背离燃料电池入口，并且尤其基本上垂直地下降(尤其在竖直方向上看)。
此外，在本发明的范畴内可以是，偏转部的第一排水孔和/或第二排水孔直接与排出管路中的第一水分离器连接，或与排出管路中的第一水分离器的排水口连接。以这种方式，可以利用在第一水分离器内和/或上方的压力降。
附图说明
下面根据附图更详细地阐述本发明及其扩展方案以及其优点。附图示出了：
图1：本发明意义上的燃料电池系统100的示意图。
具体实施方式
图1示出本发明意义上的燃料电池系统100。燃料电池系统100在此具有至少一个燃料电池101或具有多个以单个燃料电池101形式堆叠的重复单元，和用于向至少一个燃料电池101提供含燃料反应物的阳极路径10，其中，阳极路径10具有用于向至少一个燃料电池101提供含燃料反应物的进入管路11和用于从至少一个燃料电池101导出含燃料反应物的排出管路12，并且其中，在进入管路11和排出管路12之间设置再循环装置14，以便将未消耗的燃料提供、尤其输送回燃料电池101。
根据本发明，在进入管路11中在燃料电池入口E处设置偏转部20(或换言之，不中断地和/或与进入管路11材料相同地构造的偏转区段)，以便分离水H2O，尤其渗入到排出管路中的产物水或以任何其它方式，例如通过冷凝到达的水H2O，优选通过水H2O的重力和/或通过由于含燃料反应物的流动而产生的压力降。
所示的燃料电池系统101可以有利地用于移动应用，例如在机动车中，或用于固定应用，例如在发电机设备中。
如图1所示地，偏转部20构造为进入管路11的一个整体部分或区段。该部分或区段在到至少一个燃料电池101中的燃料电池入口E处构造或成形为，使得将水H2O可靠地分离。该部分或区段构造为，使水通过水H2O的重力和/或通过由于含燃料反应物的流动而产生的压力降可靠地从燃料电池入口E运走。水H2O的运走可以(必要时通过一个初级水分离器W1并且进一步地)向外到周围环境中和/或到阴极路径的废气管路中实现，在那里水与废气混合，以避免不期望的燃料积累。水H2O的运走能够优选地控制，例如通过排水阀V。
图1虽然示出排出管路12中的初级水分离器W1，但原则上可以考虑，偏转部20也可以在排出管路12中没有初级水分离器W1的情况下或仅在初级水分离器的辅助下可靠地运走水。
如图1进一步所示地，根据本发明的偏转部20在进入管路11中布置在初级水分离器W1、再循环装置14(例如呈射束泵的形式)和新鲜气体配量装置15的下游。
如图1还示出，偏转部20以弯管分离器的形式实施。
在偏转部20上可以设置至少一个第一排水孔A1。
偏转部优选地可以具有突出的棱边或突出的凸缘元件21，该凸缘元件例如在周向侧上至少部分地或完全在偏转部20的区域中的进入管路11上成形。
可选地，偏转部20可以在其最低点处具有第二水分离器W2，例如呈槽或盘或下沉部的形式，必要时带有第二排水孔A2。
水H2O通过偏转部20强制地朝与含燃料反应物的流动方向相反的方向流出，例如直接流到第一水分离器W1中或第一水分离器W1的排水口中。
此外，图1还示出，在偏转部20内，优选地与偏转部20同轴地可以设置一个(全周面或部分地在周向侧上环绕的)收集槽22，使得进入管路11在该区域中形成一个双壁管。
不但偏转部20而且收集槽22都可以在该区域中以倒置的漏斗或倒置的截锥体的形式成形，以便形成一个双壁管。
收集槽22可以收集从在进入管路11的周边上的燃料电池入口E可能流下的水H2O，并且有针对性地例如引导到偏转部20的第一排水孔A1中。
至少一个燃料电池101优选地定位在具有进入管路11和排出管路12的阳极路径10上方，以便能够利用水H2O的重力通过根据本发明的偏转部20。
如在图1中通过箭头所示地，水H2O通过根据本发明的偏转部20的流出优选地沿与含燃料反应物的流动方向相反的流动方向进行。
收集槽22可以在最窄部位处又具有比燃料电池入口E和燃料电池出口A更小的直径，以便在收集槽22上使水H2O更好地流出。
收集槽22可以优选地以倒置的漏斗和/或倒置的截锥体的形式实施，其优选地以最窄部位指向燃料电池入口E的方向并且以最宽部位背离燃料电池入口E。从图1可看到，收集槽22和偏转部20形成一个双壁管，该双壁管允许水H2O在这些壁之间(基本向下地)流出，并且该双壁管使含燃料反应物能够在内管内以相反的方向(基本向上地)利用喷嘴效应流过。
进一步可以考虑，在初级和/或次级水分离器W1、W2中可以设置吸水材料。
此外，偏转部20在第二水分离器W2的底部处可以具有第二排水孔A2。
如图1所示地，偏转部20的第一排水孔A1和/或第二排水孔A2可以直接与排出管路12中的第一水分离器W1连接或与排出管路12中的第一水分离器W1的排水口A3连接。
前面的附图说明仅在示例的范畴内描述本发明。当然，只要在技术上是有意义的，在不离开本发明范畴的情况下，实施方式的各个特征可以自由地相互组合。

Claims (10)

1.一种燃料电池系统(100)，包括：
至少一个燃料电池(101)；和
用于向所述至少一个燃料电池(101)提供含燃料反应物的阳极路径(10)，其中，所述阳极路径(10)具有：
用于向所述至少一个燃料电池(101)提供含燃料反应物的进入管路(11)和用于从所述至少一个燃料电池(101)导出含燃料反应物的排出管路(12)，并且其中，
在所述进入管路(11)和所述排出管路(12)之间设置再循环装置(14)，以便将未消耗的燃料提供返回给所述燃料电池(101)，
其特征在于，
在所述进入管路(11)中在燃料电池入口(E)处设置偏转部(20)，以便分离水。
2.根据权利要求1所述的燃料电池系统(100)，
其特征在于，
所述偏转部(20)以弯管分离器的形式实施，和/或，
所述偏转部(20)以倒置的漏斗和/或倒置的截锥体的形式实施，
该偏转部优选地以最窄部位指向所述燃料电池入口(E)的方向并且以最宽部位背离所述燃料电池入口(E)。
3.根据权利要求1或2所述的燃料电池系统(100)，
其特征在于，
所述偏转部(20)具有凸缘元件(21)，该凸缘元件优选地在周向侧上从所述进入管路(11)突出并且尤其低于所述燃料电池入口(E)。
4.根据前述权利要求中任一项所述的燃料电池系统(100)，
其特征在于，
所述偏转部(20)尤其在凸缘元件(21)上具有第一排水孔(A1)，该第一排水孔优选背离所述燃料电池入口(E)并且尤其弧形地或基本上垂直地下降。
5.根据前述权利要求中任一项所述的燃料电池系统(100)，
其特征在于，
在所述偏转部(20)上设置在远离所述燃料电池入口(E)的方向上并且尤其朝第一排水孔(A1)的方向的收集槽(22)，用于流下的水，和/或
所述收集槽(22)在最窄部位处具有小于所述燃料电池入口(E)和燃料电池出口(A)的直径。
6.根据前述权利要求所述的燃料电池系统(100)，
其特征在于，
所述收集槽(22)以倒置的漏斗和/或倒置的截锥体的形式实施，所述倒置的漏斗和/或倒置的截锥体优选以最窄部位指向所述燃料电池入口(E)的方向并且以最宽部位远离所述燃料电池入口(E)，和/或
在所述偏转部的区域(20)中，所述收集槽(22)与所述进入管路(11)同轴地布置，和/或
在所述偏转部(20)的区域中，所述收集槽(22)和所述进入管路(11)形成一个双壁的管件。
7.根据前述权利要求中任一项所述的燃料电池系统(100)，
其特征在于，
在所述排出管路(12)中设置第一水分离器(W1)。
8.根据前述权利要求中任一项所述的燃料电池系统(100)，
其特征在于，
在所述偏转部(20)和所述再循环装置(14)之间设置第二水分离器(W2)。
9.根据前述权利要求所述的燃料电池系统(100)，
其特征在于，
所述偏转部(20)尤其在所述第二水分离器(W2)处具有第二排水孔(A2)，该第二排水孔优选地背离所述燃料电池入口(E)并且尤其基本上垂直地下降。
10.根据前述权利要求所述的燃料电池系统(100)，
其特征在于，
所述偏转部(20)的第一排水孔(A1)和/或第二排水孔(A2)直接与所述排出管路(12)中的第一水分离器(W1)连接或与从所述排出管路(12)中的第一水分离器(W1)出来的排水口(A3)连接。
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