CN116711109A - 具有改善的加湿的燃料电池系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种燃料电池系统，具有至少一个燃料电池，该燃料电池包括阳极、阴极、布置在阳极和阴极之间的隔膜、阴极入口、阴极出口、阳极入口和阳极出口。根据本发明，燃料电池系统的特点在于，该燃料电池系统构造为用于将在阳极出口上聚积的水至少部分地引导到与阴极入口连接的氧化剂管路中的至少一个加湿接头上，使得流向阴极入口的氧化剂流被加湿。

Description

具有改善的加湿的燃料电池系统

技术领域

本发明涉及具有至少一个燃料电池的燃料电池系统。

背景技术

已知通过驱动马达驱动的车辆，在该车辆中，通过燃料电池系统提供电功率。在此，氢气与氧化剂、一般是来自环境空气中的氧气催化结合成水，从而提供电功率。环境空气能够借助空气输送系统或空气压缩系统供应给燃料电池系统。氢气一般储存在高压箱中并且通过管路和阀供应给燃料电池系统。此外，氢气可以在阳极回路或阳极路径中再循环。

基于PEM燃料电池的燃料电池系统要求足够湿润的隔膜，以便能够传导质子。因此，在燃料电池系统中、尤其在阴极路径和隔膜中的充分的水管理对于燃料电池系统的运行至关重要。脱水的风险尤其在阴极入口区域中是显著高的。已知以隔膜加湿器运行燃料电池系统和/或设置更高的系统压力用于空气的较小的吸水能力。通过在单个燃料电池内部中的流动通道进行内部加湿还要求相当高的系统压力和相对较薄的隔膜。这导致，燃料电池系统不能在一些运行区域中运行或仅能够以功率减小运行，例如在高环境温度下、在上坡行驶时、在燃料电池老化的情况下等。

发明内容

因此，本发明的任务是提出一种燃料电池或燃料电池系统，在所述燃料电池或燃料电池系统中实现了改善的加湿，以便扩展可实现的运行极限，其中，燃料电池系统的复杂性和成本为此应尽可能不增加或不显著增加。

该任务通过具有独立权利要求1特征的燃料电池系统来解决。有利的实施方式和扩展方案可以由从属权利要求和下面的说明得出。

提出一种燃料电池系统，具有至少一个燃料电池，该燃料电池包括阳极、阴极、布置在阳极和阴极之间的隔膜、阴极入口、阴极出口、阳极入口和阳极出口。根据本发明，燃料电池系统的特点在于，该燃料电池系统构造为用于将在阳极出口上聚积的水至少部分地引导到与阴极入口连接的氧化剂管路中的至少一个加湿接头上，使得流向阴极入口的氧化剂流被加湿。

因此，所述至少一个燃料电池是聚合物电解质膜(PEM)燃料电池。该燃料电池在阳极侧被供给以氢气或具有氢的气体并且在阴极侧被供给以氧气或具有氧的气体。在运行时，根据本发明所使用的水也聚积在阳极上，用于对氧化剂流加湿。

氧化剂流可以以空气或氧气的形式实现。在地面上或空中运行的车辆中，空气可能特别适合作为氧化剂，因为空气以足够的量可供使用并且在必要时可以通过压缩机加载压力。

至少一个加湿接头可以具有单个加湿接头，但也可以具有多个加湿接头。这些加湿接头可以设置在氧化剂管路的不同部位上。可以考虑，第一加湿接头直接布置在阴极入口的上游。这也可以直接位于第一配量阀的上游，该第一配量阀与阴极入口连接并且选择性地从阳极出口释放水。第二加湿接头可以连接在中冷器之后，第三加湿接头可以连接在中冷器之前。第四加湿接头可以连接在压缩机之前，该压缩机将氧化剂流压力加载地输送到氧化剂管路中。此外，第五加湿接头也可以布置在空气过滤器之前。当然，可以考虑另外的加湿接头并且可以考虑，也同时使用多个加湿接头。

在本公开中所使用的序数“第一”、“第二”、“第三”、“第四”和“第五”不应理解为顺序，而仅用于同类元件的辨识，然而，这些元件可以设置在不同部位上，用于不同目的或在不同实施方式中。

在已实现的燃料电池系统中，可以选择适用于阳极出口上的预期压力的合适的加湿接头。例如，如果该压力相对较低，则在压缩机上游的加湿接头可能比在压缩机下游的加湿接头更合适。

与阴极相比，阳极通常被供给以至少略微更高的压力。因此，在阳极出口和直接在阴极入口上游的氧化剂管路之间存在正压差、即过压。根据本发明，该过压可以被用于将在阳极上聚积的水无需特别措施地混合于氧化剂流。由此可以显著地节省安装空间和附加需要的外围设备。这可以使根据本发明的燃料电池系统相对于已知的燃料电池系统明显简化并且允许成本更低的制造。此外，通过对氧化剂流的加湿不会在供应空气路径中导致显著的压力损失。此外，不需要隔膜加湿器，使得可以节省安装空间。燃料电池系统的运行区域可以在运行极限上被扩展或者说可以明显延迟由于运行区域而预期的功率降低。可以降低对燃料电池系统内的压缩机提出的功率要求和/或改进至少一个燃料电池在满负载点处的设计，因为通过降低压力要求并且在很大程度上消除空气压缩系统的寄生功率来降低总体所需的功率。因此，根据本发明的燃料电池系统在运行区域和运行极限和从而氢消耗方面进行了优化，而为此不显著地增加系统成本。

有利的是，在至少一个加湿接头之后布置有用于使氧化剂-水混合物均匀化的混合单元。该混合单元允许使氧化剂-水混合物均匀化，以便因此避免水滴进入到至少一个燃料电池中。此外，混合单元可以促进蒸发/汽化。在多个实施方式中，混合单元的安装位置可以彼此不同。例如可以将混合单元直接布置在阴极入口的上游或直接布置在截止阀的上游。如果使用下面进一步提及的阴极旁路，则混合单元可以布置在阴极旁路的引入部位的上游。

此外，有利的是，在至少一个加湿接头之后布置有被氧化剂流流过的多孔加湿体，用于促进水的蒸发或汽化。在阳极出口和相关的加湿接头之间的压差可能太小而无法防止将水喷雾/雾化到氧化剂管路中。通过使用例如海绵状实施的多孔加湿体，水润湿了非常大的表面，这简化了通过氧化剂流的蒸发或汽化。在一个优选的实施方式中，加湿体可以局部地完全填充氧化剂管路的横截面，使得氧化剂流必须流过加湿体。

在另一有利的实施方式中，配量单元布置在至少一个加湿接头之前，并且构造为用于将水配量并压力加载地释放到至少一个加湿接头中。配量单元可以通过提高压力实现水的精细雾化。压力提高可以以多种方式实现。配量单元例如可以具有一个泵-喷嘴单元或类似装置。可以考虑例如具有压电促动器的、提高压力的喷射器。同样可以考虑小型泵或容积输送的隔膜泵。后一种变型具有特别的优点：泵行程是精确限定的并且可以精确测定配量的水的量。对于在车辆中的应用，在市场上已经提供具有限定的输送体积或配量体积的成本低且尤其耐冰压的隔膜泵。配量单元可以与配量阀结合或代替配量阀使用。成本尤其在使用上述隔膜泵时是可控的。与之前所述的混合器相比，这些具有雾化可能性的压力增加的变型的优点是不导致压力损失。

此外，配量单元和/或至少一个加湿接头可以具有用于喷洒或雾化水的喷洒或雾化装置。这辅助氧化剂-水混合物的均匀化。喷洒或雾化装置可以以喷射器的形式实施。

在另一有利的实施方式中，配量单元可以与至少暂时收集水的缓冲储存器连接。这可以是一个单独的容器，该容器始终充注以来自阳极出口的水。当然，与阳极出口连接的排放管路也可以如此实施，使得在那里存在用于水的足够的缓冲可能性。然后，配量单元可以优选地连续运行，因为该配量单元连续地从缓冲储存器被供给以在那里收集的水。

特别有利地，控制单元可以与至少一个配量阀或前述配量单元耦合并且构造为用于根据至少一个燃料电池的运行状态控制流到氧化剂管路中的水的量。控制单元可以实现对加湿的适配。配量可以根据燃料电池系统或至少一个燃料电池的运行状态或运行点进行。如果至少一个燃料电池如此构型，使得该燃料电池能够在运行区域的大部分中自润湿，则可以优选地在运行区域的极限处进行水的配量，以避免在这些极限区域中的功率降低或脱水。然而，如果至少一个燃料电池如此构型，使得有利地始终可以使用略微加湿的氧化剂，则可以从阳极出口处的水开始在整个运行区域上应用加湿。由于至少一个燃料电池的退化，可能还需要在燃料电池系统的整个使用寿命内调整运行策略。配量可以相应适配地在使用寿命内被追踪。例如，在至少一个燃料电池的新状态下，可以仅在一些运行点中执行配量，并且在延续的使用寿命中，可以在运行区域的多个区段中执行配量。控制单元可以构造为用于执行这些过程中的一个或多个。

在一个有利的实施方式中设置，设置水供应求取单元，该水供应求取单元构造为用于探测或求取流到氧化剂管路中的水的量。知晓流到氧化剂管路中的水的量有助于相应地控制通过加湿组件的加湿。替代于直接求取地，可以通过基于模型的方法根据现有数据/传感器数据和对配量单元的操控来计算水量。可以在配量时或在输送行程中通过流动特性来评估例如在配量单元或配量阀中的、流量受监控的促动器：是配量水还是配量气体。由于流体的大的密度差，分别得出不同的流特性，该流特性允许推断出介质状态(液态或气态)的结论。例如，如果不存在用于配量的水，则可以考虑该信息的反馈，用于调整运行策略。当然，也可以借助合适的传感器监控水的配量。

此外，可以有利的是，燃料电池系统构造为用于在预给定的时间区间期间提高阳极和阴极之间的压差，并且在该时间区间期间将水引导到至少一个加湿接头中，这尤其在实现没有配量单元的燃料电池系统时是特别有意义的。由此可以短时间地提高作用到水上的驱动力。

此外，可以设置阴极旁路，该阴极旁路构造为用于选择性地将阴极出口与氧化剂管路连接，以便将多余的水输出到废气通道中或直接输出到周围环境中。为此，阴极旁路也可以直接地、即绕过堆叠进入到周围环境或废气通道中。如果相应的配量阀或配量单元或任何其它用于引入水的装置具有低于冻结点的温度或含有冻结的水，则冻结的水可以通过连入到阴极旁路中被热空气解冻。

附图说明

在下面根据附图与本发明的优选实施例的描述一起更详细地示出改进本发明的另外措施。

附图示出了：

图1：燃料电池系统的示意图。

图2和图3：水引导的细节视图。

具体实施方式

图1示出燃料电池系统2的示意图。燃料电池系统2具有燃料电池4，该燃料电池具有阳极6、阴极8和冷却单元10。在阳极6和阴极8之间布置有隔膜12。阳极6通过阳极入口14被供给以氢气，该氢气至少部分地又从阳极出口16流出。再循环管路18借助压缩机20和喷射泵22执行氢气从阳极出口16至阳极入口14的再循环。来自在此未示出的氢气箱中的氢气通过喷射泵22被混入。

环境空气24通过空气过滤器26被供应给压缩机28。该压缩机在此例如被电动马达30驱动，该电动马达由逆变器32供给以电压。由此，向构造为空气管路的氧化剂管路34供应压力加载的空气。

冷却的、压力加载的空气经由中冷器36进入到混合单元38中，该混合单元使空气-水混合物均匀化。水引导的方式在再后面进行描述。例如在混合单元38中使在空气中含有的水产生涡流，从而形成最小的液滴或雾并且促进水的蒸发或汽化。在混合单元38上在下游连接有第一截止阀40，所述第一截止阀与阴极入口42连接。通过阴极出口44，来自阴极8的废气经由第二截止阀46进入到废气管路48中。该废气管路可以具有调节阀50，该调节阀将空气又供应至环境空气24。

空气管路34在此具有多个加湿接头，通过这些加湿接头可以将来自阳极出口16的水供应给空气流。水在此被供应给排放管路52，该排放管路经由第一配量阀54例如与配量单元56连接。配量单元56可以将配量的水量从排放管路52直接在第一截止阀40上游压力加载地引导至第一加湿接头58或直接在混合单元38上游压力加载地引导到第二加湿接头60中。同样地，第三加湿接头62可以直接布置在中冷器36的上游。第四加湿接头64可以直接定位在压缩机28的上游。此外，可以直接在空气过滤器26的上游设置第五加湿接头66。根据阳极出口16和阴极入口42之间的压差可以选择要使用的加湿接头58、60、62、64或66。也可以同时或根据运行状态使用多个加湿接头。

可以通过第一配量阀54和/或配量单元56控制加湿。多余的水可以通过第二配量阀68从排出管路52取出，以便将多余的水通过废气管路48供应至环境空气24。此外，当存在霜冻风险时，排放管路52可以完全由此被排空。可以设置阳极冲洗阀70，以便为了减少阳极回路中的氮含量而从阳极6冲出清除气体/冲洗气体并且将该清除气体/冲洗气体也供应至环境空气24。排放管路52可以如此设计尺寸，使得该排放管路具有一定的储存容量用于水，并且由此能够用作缓冲储存器。因此，附图标记52也适用于缓冲储存器。

为了根据需要进行空气管路34和布置在其中的部件的加热，例如以便加热第一截止阀40或混合单元38，可以设置具有旁通阀74的阴极旁路72。

为了控制燃料电池系统2，还可以设置控制单元76，该控制单元与在此所示的阀40、46、50、54、68和74以及配量单元56、逆变器32和必要时的传感器(在此未示出)连接。

也可以取消配量单元56。然后，水的引入仅通过在阳极出口16和阴极入口42之间存在的压差被驱动。为此，在图3中所示的细节可能是有利的。

将水引入到空气流中可以由控制单元32控制。尤其，为此可以考虑空气管路34中的空气质量流、阴极8中的压力、隔膜12的湿度状态和化学计量的参数。配量可以通过阀54节拍地进行，其中，配量泵的喷射持续时间或行程数量以及频率可以变化。

图2示出根据本发明的燃料电池系统2的可能细节。在此示出与缓冲储存器78耦合的排放管路52。该缓冲储存器将水引导到配量单元56处，该配量单元具有将水配量到空气管路34中的喷射器80。由此可以喷射水，使得喷射器80能够用作喷洒或雾化装置。选择布置在混合单元38上游的第二加湿接头60作为用于配量的合适位置。水在阴极旁路72的上游被引入。这具有以下优点：经由通过打开旁通阀74而短暂地打开阴极旁路72，可以将对于加湿而言的非必要水引导到废气管路48中，并且在这种情况下可以取消配量阀68。混合单元38替代地也可以定位在第二加湿接头60的下游和阴极旁路72的上游。此外，也可以考虑通过第二配量阀68导出到废气管路48中。在这种情况下，系统2的灵活性虽然较高，但将需要使用两个有源部件，例如两个配量阀54和68或者第二配量阀68和配量单元56。

喷射器80是电操控的并且与控制单元76耦合。通过直接由水体积流而变化的流动特性，控制单元76可以检测或求取目前水体积流的大小。在此显著地提高释放的水的压力。

对此替代地，取而代之可以将多孔的加湿体82集成到空气管路34中，如在图3中示意性地所示的那样。加湿体通过配量单元56例如经由阀供给水。在那里，一个非常大的表面被水湿润并且从空气流蒸发或汽化。在此，水释放仅通过在阳极出口16和阴极入口42之间存在的压差驱动。

Claims (10)

1.一种燃料电池系统(2)，包括至少一个燃料电池(4)，所述燃料电池具有阳极(6)、阴极(8)、布置在所述阳极(6)和所述阴极(8)之间的隔膜(12)、阴极入口(42)、阴极出口(44)、阳极入口(14)和阳极出口(16)，其特征在于，所述燃料电池系统(2)构造为用于将在所述阳极出口(16)上聚积的水至少部分地引导到与所述阴极入口(42)连接的氧化剂管路(34)中的至少一个加湿接头(58、60、62、64、66)上，使得流向所述阴极入口(42)的氧化剂流被加湿。

2.根据权利要求1所述的燃料电池系统(2)，其特征在于，在所述至少一个加湿接头(58、60、62、64、66)之后布置有混合单元(38)，用于使氧化剂-水混合物均匀化。

3.根据权利要求1或2所述的燃料电池系统(2)，其特征在于，在所述至少一个加湿接头(58、60、62、64、66)之后布置有多孔的加湿体(82)，用于促进水的蒸发或汽化，所述加湿体被所述氧化剂流流过。

4.根据前述权利要求中任一项所述的燃料电池系统(2)，其特征在于，配量单元(56)布置在所述至少一个加湿接头(58、60、62、64、66)之前，并且构造为用于将水配量地并压力加载地释放到所述至少一个加湿接头(58、60、62、64、66)中。

5.根据权利要求4所述的燃料电池系统(2)，其特征在于，所述配量单元(54)和/或所述至少一个加湿接头(58、60、62、64、66)具有用于喷洒或雾化水的喷洒或雾化装置(80)。

6.根据权利要求4或5所述的燃料电池系统(2)，其特征在于，所述配量单元(54)与至少暂时收集水的缓冲储存器(52、78)连接。

7.根据前述权利要求中任一项所述的燃料电池系统(2)，其特征在于，设置与至少一个配量阀(54、68)或根据权利要求6所述的配量单元(54)处于作用连接中的控制单元(76)，所述控制单元构造为用于根据所述至少一个燃料电池(4)的运行状态控制流到所述氧化剂管路(34)中的水的量。

8.根据权利要求7所述的燃料电池系统(2)，其特征在于，所述控制单元(76)构造为用于探测或求取流到所述氧化剂管路(34)中的水的量。

9.根据前述权利要求中任一项所述的燃料电池系统(2)，其特征在于，所述燃料电池系统(2)构造为用于在预给定的时间区间期间提高所述阳极(6)和所述阴极(8)之间的压差，并且在该时间区间期间将水引导到所述至少一个加湿接头(58、60、62、64、66)中。

10.根据前述权利要求中任一项所述的燃料电池系统(2)，其特征在于，设置阴极旁路(72)，所述阴极旁路构造为用于选择性地将所述阴极出口(44)与所述氧化剂管路(34)连接，以便将多余的水输出到废气通道(48)中或直接输出到周围环境(24)中。