CN117594844A - 燃料电池废气设备、燃料电池系统及其运行方法 - Google Patents

燃料电池废气设备、燃料电池系统及其运行方法 Download PDF

Info

Publication number
CN117594844A
CN117594844A CN202311001329.5A CN202311001329A CN117594844A CN 117594844 A CN117594844 A CN 117594844A CN 202311001329 A CN202311001329 A CN 202311001329A CN 117594844 A CN117594844 A CN 117594844A
Authority
CN
China
Prior art keywords
fuel cell
exhaust gas
cell exhaust
heat exchanger
unit
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN202311001329.5A
Other languages
English (en)
Inventor
G·盖泽
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Prim Co ltd
Original Assignee
Prim Co ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Prim Co ltd filed Critical Prim Co ltd
Publication of CN117594844A publication Critical patent/CN117594844A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04089—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants
    • H01M8/04119—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with simultaneous supply or evacuation of electrolyte; Humidifying or dehumidifying
    • H01M8/04156—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with simultaneous supply or evacuation of electrolyte; Humidifying or dehumidifying with product water removal
    • H01M8/04164—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with simultaneous supply or evacuation of electrolyte; Humidifying or dehumidifying with product water removal by condensers, gas-liquid separators or filters
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04007—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids related to heat exchange
    • H01M8/04014—Heat exchange using gaseous fluids; Heat exchange by combustion of reactants
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04007—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids related to heat exchange
    • H01M8/04014—Heat exchange using gaseous fluids; Heat exchange by combustion of reactants
    • H01M8/04022—Heating by combustion
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04007—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids related to heat exchange
    • H01M8/04029—Heat exchange using liquids
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04007—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids related to heat exchange
    • H01M8/04067—Heat exchange or temperature measuring elements, thermal insulation, e.g. heat pipes, heat pumps, fins
    • H01M8/04074—Heat exchange unit structures specially adapted for fuel cell
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04089—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants
    • H01M8/04119—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with simultaneous supply or evacuation of electrolyte; Humidifying or dehumidifying
    • H01M8/04156—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with simultaneous supply or evacuation of electrolyte; Humidifying or dehumidifying with product water removal
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04223—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids during start-up or shut-down; Depolarisation or activation, e.g. purging; Means for short-circuiting defective fuel cells
    • H01M8/04228—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids during start-up or shut-down; Depolarisation or activation, e.g. purging; Means for short-circuiting defective fuel cells during shut-down
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04694—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by variables to be controlled
    • H01M8/04701—Temperature
    • H01M8/04716—Temperature of fuel cell exhausts
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04694—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by variables to be controlled
    • H01M8/04746—Pressure; Flow
    • H01M8/04761—Pressure; Flow of fuel cell exhausts
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/06—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues
    • H01M8/0662—Treatment of gaseous reactants or gaseous residues, e.g. cleaning
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M2008/1095—Fuel cells with polymeric electrolytes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M2250/00—Fuel cells for particular applications; Specific features of fuel cell system
    • H01M2250/20—Fuel cells in motive systems, e.g. vehicle, ship, plane
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)
  • Electric Propulsion And Braking For Vehicles (AREA)

Abstract

本发明涉及一种尤其用于车辆的燃料电池废气设备，其包括可由燃料电池废气穿流的、用于从燃料电池废气中排出热量的第一燃料电池废气冷却单元(30)；在第一燃料电池废气冷却单元(30)的区域中或/和下游的、用于分离包含在燃料电池废气中的冷凝物的第一分离单元(34)，以及在第一分离单元(34)的区域中或/和下游的、用于加热燃料电池废气的燃料电池废气加热单元(36)。

Description

燃料电池废气设备、燃料电池系统及其运行方法
技术领域
本发明涉及一种燃料电池废气设备，通过该燃料电池废气设备例如可以在车辆中将为产生电能而运行的燃料电池排出的燃料电池废气排放到环境中。
背景技术
为了在燃料电池中产生电能，向燃料电池的阳极区域输送氢气或含氢气体并且向燃料电池的阴极区域输送氧气或含氧气体、如空气。在燃料电池的阳极区域的阳极废气出口处，氢气贫化的气体作为燃料电池废气被排出。在燃料电池的阴极区域的阴极废气出口处，氧气贫化的气体作为燃料电池废气被排出。根据燃料电池的类型，主要是在燃料电池的阴极区域排出的燃料电池废气或主要是在燃料电池的阳极区域排出的燃料电池废气包含相对大比例的水或水蒸气。如果借助燃料电池废气设备将富含水蒸气且相对湿度在90-100％范围内的燃料电池废气排放到环境中，则尤其是在相对低的环境温度下存在这样的危险，即在与环境空气接触时燃料电池废气的温度大幅降低，这可能导致水从燃料电池废气中冷凝出并且因此导致剧烈的雾形成。这样的雾形成仅基于视觉外观就会让人感到不愉快和不希望并且尤其是在非常低的环境温度下导致这样的危险，即，当车辆静止时在燃料电池废气排放到环境中的区域中在车辆下方的地面上出现结冰。
发明内容
本发明的任务在于，提供一种尤其是用于车辆的燃料电池废气设备，通过该燃料电池废气设备可以基本上防止在排放到环境中的燃料电池废气中形成雾。
根据本发明，该任务通过一种尤其是用于车辆的燃料电池废气设备来解决，其包括：
可由燃料电池废气穿流的、用于从燃料电池废气中排出热量的第一燃料电池废气冷却单元，
在第一燃料电池废气冷却单元的区域中或/和下游的、用于分离包含在燃料电池废气中的冷凝物的第一分离单元，
在第一分离单元的区域中或/和下游的、用于加热燃料电池废气的燃料电池废气加热单元。
在根据本发明构造的燃料电池废气设备中，首先通过冷却燃料电池废气并且在此将燃料电池废气的温度降低到露点之下使在燃料电池废气中运输的水或水蒸气的一部分从燃料电池废气中析出并且可以作为冷凝物尤其是收集或积聚在第一分离单元中。然后当在燃料电池废气加热单元中加热水或水蒸气贫化的燃料电池废气时，虽然燃料电池废气中仍含有的水蒸气量不会发生变化，但基于温度升高使燃料电池废气中的相对湿度显著下降。如果水蒸气贫化的燃料电池废气随后以升高的温度排放到环境中，则可以避免自发的冷凝或雾形成。燃料电池废气在其温度再次明显下降之前就可以与环境空气充分混合，从而通过由此产生的稀释可以避免在燃料电池废气从燃料电池废气设备排出的区域中局部剧烈的雾形成。
为了高效地冷却燃料电池废气，第一燃料电池废气冷却单元可以包括用于将热量从燃料电池废气传递到冷却介质、优选冷却液或冷却气体的第一热交换器。
同样，为了高效地加热水蒸气贫化的燃料电池废气，燃料电池废气加热单元可以包括用于将热量从加热介质、优选加热液体或加热气体传递到燃料电池废气或/和至少一个可电激励的加热器的第二热交换器。
为了能够将在燃料电池废气中运输的热量用于燃料电池系统的高能效运行，提出，一种穿流第一热交换器和第二热交换器的载热介质提供冷却介质和加热介质。因此，这种载热介质可以将热量从在燃料电池废气设备的更上游部分流动的燃料电池废气传递到在燃料电池废气设备的更下游部分流动的燃料电池废气。
在一种替代的、同样利用在燃料电池废气中运输的热量的实施变型方案中，可以设置一个提供第一热交换器和第二热交换器的热交换器单元，所述热交换器单元包括可由燃料电池废气穿流的上游热交换器区域和在上游热交换器区域的下游的、与上游热交换器区域处于热传递相互作用的下游热交换器区域。通过这两个热交换器区域的热传递相互作用实现了直接的且不需要液态或气态载热介质的并且因此非常高效的热传递。
为了在该基本上直接的热传递中也能够将在燃料电池废气冷却之后冷凝的水排出，提出，第一分离单元设置在上游热交换器区域的下游和下游热交换器区域的上游。
为了在结构上集成燃料电池废气设备的不同系统区域并且因此实现紧凑的结构，进一步提出，在上游热交换器区域的下游和/或在上游热交换器区域的下游端部处和在下游热交换器区域的上游和/或在下游热交换器区域的上游端部处，设有用于从燃料电池废气中排出热量的第二燃料电池废气冷却单元。通过提供这种第二燃料电池废气冷却单元，除了已经在上游热交换器区域中进行的冷却之外，还在下游热交换器区域的上游进一步冷却燃料电池废气并因此促进水的冷凝。
在此，第二燃料电池废气冷却单元可以包括用于将热量从燃料电池废气传递到冷却介质、优选冷却液或冷却气体的第三热交换器。
热交换器单元可以包括热交换器单元壳体，上游热交换器区域和下游热交换器区域设置在所述热交换器单元壳体中。在此，第三热交换器还可以基本上设置在所述热交换器单元壳体中和/或将所述热交换器单元壳体在外侧包围地设置。
为了实现在燃料电池废气设备的不同部分中流动的燃料电池废气的高效热传递，热交换器单元可以包括对流热交换器或交叉流热交换器。
为了将燃料电池废气引导到第一燃料电池废气冷却单元，可以设置通向第一燃料电池废气冷却单元的第一燃料电池废气管路。当水或水蒸气主要包含在阴极废气中时，第一燃料电池废气管路可以是阴极废气管路。
为了在此已经在第一燃料电池废气冷却单元的上游分离在燃料电池废气中基本上以液滴形式输送的水，第一燃料电池废气管路可以分配有用于分离基本上以微滴形式包含在燃料电池废气中的液体的第二分离单元。
燃料电池废气设备还可以包括第二燃料电池废气管路、优选阳极废气管路，其中，所述第二燃料电池废气管路通入第一燃料电池废气管路中或通入从燃料电池废气加热单元引出的燃料电池废气排出管路中，这意味着，相应涉及的两个管路汇合，以合并在其中引导的燃料电池废气流。尤其是当第二燃料电池废气管路通入第一燃料电池废气管路中时，也可以分离通过第二燃料电池废气管路引导的燃料电池废气中包含的水或水蒸气。
在此，尤其是当通过第二燃料电池废气管路引导的燃料电池废气包含相对小比例的水或水蒸气时，第二燃料电池废气管路在第二分离单元的下游通入第一燃料电池废气管路中。
为了防止阳极废气中仍含有的残余氢气以过高浓度排放到环境中，可以设置至少一个氧化单元、优选催化器单元或/和燃烧器，用于氧化由燃料电池排出的燃料电池废气中包含的氢气。
如果第二燃料电池废气管路、即尤其是阳极废气管路基本上直接通入燃料电池废气排出管路中，则可以在第二燃料电池废气管路中在到燃料电池废气排出管路的入口的上游设置至少一个氧化单元。尤其是当第二燃料电池废气管路通入第一燃料电池废气管路中时，则可以在第一燃料电池废气管路中在第二燃料电池废气管路到第一燃料电池废气管路的入口的下游设置至少一个氧化单元。
为了尽可能避免例如由压缩机或类似设备产生的燃料电池系统的噪声通过燃料电池废气设备排放，可以设置至少一个燃料电池废气消音器，其设置在从燃料电池废气加热单元引出的燃料电池废气排出管路中。
至少一个燃料电池废气消音器优选设置在第二燃料电池废气管路到燃料电池废气排出管路的入口的下游，从而也能够抑制通过穿流第二燃料电池废气管路的燃料电池废气传播噪声。
本发明还涉及一种燃料电池系统，其包括燃料电池和分配给燃料电池的、根据本发明构造的燃料电池废气设备。
在该燃料电池系统中，第一燃料电池废气管路可以优选通过阴极废气截止单元连接到燃料电池的阴极废气出口上，并且第二燃料电池废气管路可以优选通过阳极废气截止单元连接到燃料电池的阳极废气出口上。
本发明还涉及一种用于运行燃料电池系统、尤其是根据本发明构造的燃料电池系统的方法，在所述方法中，将从燃料电池排出的燃料电池废气冷却以冷凝出水，并且将冷凝出水之后的、水蒸气贫化的燃料电池废气加热。
附图说明
下面参照附图详细阐述本发明。附图如下：
图1以原理图示出用于车辆的燃料电池系统；
图2示出燃料电池系统的一种替代实施方式的相应于图1的视图；
图3示出燃料电池系统的一种替代实施方式的相应于图1的另一视图；
图4示出燃料电池系统的一种替代实施方式的相应于图1的另一视图；
图5示出燃料电池系统的一种替代实施方式的相应于图1的另一视图；
图6示出燃料电池系统的一种替代实施方式的相应于图1的另一视图；
图7示出燃料电池系统的一种替代实施方式的相应于图1的另一视图；
图8示出燃料电池系统的一种替代实施方式的相应于图1的另一视图。
具体实施方式
在图1中，用于车辆的燃料电池系统整体以附图标记10表示。燃料电池系统10包括在所示实例中例如构造为PEM燃料电池的燃料电池12，该燃料电池具有阳极区域14和阴极区域16。阳极区域14被输送氢气或含氢气体W。阴极区域16被输送将氧气或含氧并且可能也含有水蒸气的气体L、如空气。
燃料电池废气设备11的第一燃料电池废气管路22通过阴极废气截止单元20、如阀、调节阀瓣或类似物连接到燃料电池12的阴极废气出口18上，在所示实施例中，第一燃料电池废气管路22是阴极废气管路。燃料电池废气设备11的第二燃料电池废气管路28通过阳极废气截止单元26连接到燃料电池的阳极废气出口24上，在所示实施例中，第二燃料电池废气管路28是阳极废气管路。
第一燃料电池废气管路22通向第一燃料电池废气冷却单元30。第一燃料电池废气冷却单元30可以包括第一热交换器32，在该第一热交换器中，穿流第一燃料电池废气管路22的燃料电池废气、即阴极废气将热量传递到液态或气态冷却介质K并由此被冷却。通过该冷却，阴极废气中包含的水或水蒸气的一部分在跟随在第一燃料电池废气冷却单元30之后的第一分离单元34中冷凝或可以被收集在其中并且例如回馈到燃料电池过程中或以液态形式排放到环境中。
在第一分离单元34下游的燃料电池废气加热单元36中，水蒸气贫化的燃料电池废气或阴极废气被再次加热。当燃料电池废气加热单元36构造为第二热交换器38时，该加热可以通过如下方式实现，即，热量通过加热介质H传递到穿流燃料电池废气加热单元36的燃料电池废气。替代或附加地，燃料电池废气加热单元36可以包括可电激励的加热器39，该加热器被水蒸气贫化的燃料电池废气穿流并且在此将热量传递到其上。
水蒸气贫化且被再次加热的燃料电池废气通过燃料电池废气排出管路40离开燃料电池废气加热单元36，通过所述燃料电池废气排出管路40，水蒸气贫化且被再次加热的阴极废气或燃料电池废气被排放到环境中。
为了使得在燃料电池系统10中例如通过压缩机或类似设备的运行而产生的噪声不通过燃料电池废气进一步排放到环境中，可以在燃料电池废气排出管路40中设置燃料电池废气消音器42，该燃料电池废气消音器例如与分配给内燃机的消音器一样可以包括一个或多个相互连接并且可由燃料电池废气穿流的腔室和/或一个或多个共振器腔室。
经由阳极废气出口24作为燃料电池废气排出的阳极废气一般仍含有残余氢成分。阳极废气中仍含有的氢气浓度在此可能如此之高，以至于不允许排放到环境中。因此，可以在第二燃料电池废气管路28中设置催化器单元44(其构成氧化单元的一种实施例)，在该催化器单元中，阳极废气中含有的残余氢气被通过供应管路46供应的氧气氧化。通过供应管路46例如可以将空气引入第二燃料电池废气管路28中。
在图1所示的燃料电池系统10中，通过冷却，首先从通过第一燃料电池废气管路22由燃料电池12排出的燃料电池废气、即阴极废气中提取一部分、尤其是一大部分其中所含的水蒸气。水蒸气贫化的燃料电池废气基于其相对低的温度而具有高的、可接近100％的相对湿度。通过在燃料电池废气加热单元36中加热该水蒸气贫化、但仍具有高的相对湿度的燃料电池废气，降低了燃料电池废气的相对湿度，从而通过燃料电池废气排出管路40排放到环境中的燃料电池废气具有明显低于100％的相对湿度。即使这种随后排放到环境中的燃料电池废气与相对冷的环境空气或位于车辆环境中的相对冷的物体接触，也避免了因水的冷凝而自发形成雾，因为在排放到环境中的燃料电池废气的温度下降到露点以下之前，燃料电池废气就会与环境空气相对强地混合并且因此被相对强地稀释。
在图2中示出燃料电池系统10的一种替代实施方式。图2的燃料电池系统10与图1的燃料电池系统相比示出不同的变化，这些变化可以单独或者也可以如图2所示以组合提供。
在图2中首先可以看出，第二燃料电池废气管路28通入第一燃料电池废气管路22中。这意味着，通过第二燃料电池废气管路28排出的燃料电池废气、即在所示示例中为阳极废气也被引导通过第一燃料电池废气冷却单元30和燃料电池废气加热单元36。因此，阳极废气中包含的水或其中所含的水蒸气也可以在第一分离单元34中冷凝或积聚。
为了在该实施方式中也氧化阳极废气中包含的残余氢气，催化器单元44可以设置在第一燃料电池废气管路22中。替代或附加地，催化器单元44'可以设置在燃料电池废气排出管路40中。将催化器单元44设置在第一燃料电池废气冷却单元30的上游的主要优点是，被引导通过催化器单元44的燃料电池废气具有相对高的温度，这有助于催化器单元44的高效运行。将催化器单元44'定位在燃料电池废气排出管路中的优点是，穿流催化器单元44'的燃料电池废气含有较小比例的水或水蒸气，这有助于减少催化器单元44'的老化。用于氧化氢气所需的氧气可以通过阴极废气中包含的剩余氧气来提供，从而不需要额外引入氧气或空气。
在图2中还可以看出，在第一燃料电池废气管路22中例如在催化器单元44的上游设置有第二分离单元48。在所示实施例中，借助于第二分离单元48已经可以将部分通过阴极废气尤其是以液滴形式携带的水从阴极废气中排出，从而定位在第一燃料电池废气冷却单元30和第一分离单元34上游的催化器单元44也被已经含有减小比例的水或水蒸气的燃料电池废气穿流。
在图3中示出燃料电池系统10的一种尤其是在第一燃料电池废气冷却单元30和燃料电池废气加热单元36的区域中改变的实施方式。在该实施方式中，在构造为第一热交换器32的第一燃料电池废气冷却单元30中，借助于载热介质M从穿流该第一燃料电池废气冷却单元的燃料电池废气中提取热量，所述载热介质在例如闭合的回路中也被引导通过构造为第二热交换器38的燃料电池废气加热单元36。因此，在燃料电池废气设备11中更下游流动的燃料电池废气能够被在燃料电池废气设备11中更上游流动的燃料电池废气加热。替代或附加地，在燃料电池废气加热单元36中，穿流其的燃料电池废气可以通过加热介质H或/和可电激励的加热器39加热。
为了能够进一步冷却燃料电池废气，在第一燃料电池废气冷却单元30的下游设置有第二燃料电池废气冷却单元50。该第二燃料电池废气冷却单元例如可以包括第三热交换器52，在该第三热交换器中，已经在第一燃料电池废气冷却单元30中冷却的燃料电池废气可以将热量传递到冷却介质K。如上所述，在第一分离单元34中冷凝出水，从而水蒸气贫化的燃料电池废气朝向下游的燃料电池废气加热单元36方向流动。
在图4中示出一种主要在高效的热传递和简单的结构设计方面有利的变型方案，在其中同样利用包含在燃料电池废气中的热量来加热燃料电池废气的在更下游流动的部分。在图4所示的燃料电池废气设备11的实施方式中，设有一个整体用附图标记54表示的热交换器单元，其在所示实施例中构造为对流热交换器。热交换器单元54包括上游热交换器区域56，其提供第一燃料电池废气冷却单元30或第一热交换器32。
热交换器单元54还包括下游热交换器区域58，其提供燃料电池废气加热单元36或第二热交换器38。这两个热交换器区域56、58可以在热交换器单元54的热交换器单元壳体60中通道状地构造并且通过一个或多个分隔壁62提供彼此分开的流动通道，在所述流动通道中燃料电池废气基本上在彼此相反的方向上流动并且由此将热量从燃料电池废气的穿流上游热交换器区域56的部分传递到燃料电池废气的穿流下游热交换器区域58的部分。
应指出，即使在该实施方式中，在燃料电池废气加热单元36中、即在下游热交换器区域58中，在那里流动的燃料电池废气也可以如上所述附加地通过加热介质或/和可电激励的加热器加热。
穿流上游热交换器区域56且离开其的燃料电池废气被引导到在下游跟随上游热交换器区域56的第二燃料电池废气冷却单元50或第三热交换器52，在那里燃料电池废气将热量排出到冷却介质K上且因此被进一步冷却。在第一分离单元34中收集通过进一步冷却从燃料电池废气中冷凝出的水。然后，水蒸气贫化的燃料电池废气进一步流向下游热交换器区域58，在那里水蒸气贫化的燃料电池废气通过与在上游热交换器区域56中流动的燃料电池废气的热相互作用加热并且必要时附加地通过加热介质或/和可电激励的加热器加热。
图5示出一种实施变型方案，在其中，第二燃料电池废气冷却单元50和第一分离单元34在结构上与热交换器单元54合并。如在图5中可见，第二燃料电池废气冷却单元50的第三热交换器52可以集成在上游热交换器区域56中、尤其是上游热交换器区域的下游端部64中。在上游热交换器区域56的下游端部64处或下游实现到第一分离单元34和从第一分离单元到下游热交换器区域58的流体技术上的过渡。积聚在第一分离单元34处和因此热交换器单元54的热交换器单元壳体60中的水例如可以通过截止单元66排放到环境中或回馈到燃料电池过程中。
为了非常高效地传热，第三热交换器52可以具有散热片，这些散热片增大了可供用于与在上游热交换器区域56中流动的燃料电池废气进行热相互作用的表面。
在图6所示的在图5中示出结构原理的变型中，第二燃料电池废气冷却单元50既集成到上游热交换器区域56中、尤其是其下游端部64的区域中，又集成到下游热交换器区域58中、尤其是其上游端部68中。因此，在从上游热交换器区域56、即第一燃料电池废气冷却单元30到下游热交换器区域58、即燃料电池废气加热单元36的整个过渡区域中，水或水蒸气可以通过冷却电池燃料废气而冷凝出并被容纳或收集在第一分离单元34中。
即使在该实施方式中，为了非常高效地传热，第三热交换器52也可以具有散热片，这些散热片增大了可供用于与在上游热交换器区域56中流动的燃料电池废气进行热相互作用的表面。还要指出，即使在该实施方式中，穿流下游热交换器区域58的燃料电池废气也可以附加地通过加热介质和/或可电激励的加热器加热。
在图7所示的燃料电池废气设备11的实施方式中，在热交换器单元54上在上游热交换器区域56的下游端部64的区域中并且在下游热交换器区域58的上游端部66区域中从燃料电池废气中提取热量。为此目的，第一燃料电池废气冷却单元30的第一热交换器32在热交换器单元壳体的外侧包围热交换器单元54的热交换器单元壳体60并且可由冷却介质K穿流。为了增强热相互作用并且因此为了改善从穿流热交换器单元54的燃料电池废气中的散热，可以在热交换器单元壳体60的外侧上设置热传递散热片70，通过这些热传递散热片增大了可供用于将热量排出到冷却介质K的表面。
在图8中示出另一种替代实施方式，在其中，在热交换器单元54中热量可以从在燃料电池废气设备11的更上游部分中流动的燃料电池废气传递到在燃料电池废气设备11的更下游部分中流动的燃料电池废气。在该实施方式中，热交换器单元54构造为交叉流热交换器。在热交换器单元壳体60中形成基本上提供上游热交换器区域56的容积，该容积被通过第一燃料电池废气管路22输送的燃料电池废气穿流。被引导通过该上游热交换器区域56的燃料电池废气然后穿流第二燃料电池废气冷却单元50或其第三热交换器52并且在此将热量排出到冷却介质K。在穿流第一分离单元34之后，水蒸气贫化的燃料电池废气于是流过提供下游热交换器区域58并且在热交换器单元壳体60中延伸的管路区域，在该管路区域处可以设置热传递散热片72，用于与穿流上游热交换器区域56的燃料电池废气进行增强的热相互作用。
在该实施方式中，燃料电池废气也在被加热的情况下离开下游热交换器区域58或热交换器单元54并且然后例如流向催化器单元44'和消音器42，之后燃料电池废气被加热并且因此以较小的相对湿度排放到环境中。
在图7和8中示出的实施方式中，为了附加地加热，也可以为下游热交换器区域58附加地分配上述措施。因此，可以通过加热介质或/和可电激励的加热器附加地加热穿流下游热交换器区域58的、水蒸气贫化的燃料电池废气。
在所有上述实施方式中，如果使用的话，冷却介质K和/或加热介质H可以由液体或气体提供，尤其是冷却介质K可以将其中吸收的热量在另一热交换器中排放到环境中。冷却介质K例如也可以由环境空气提供，从而第一热交换器例如可以包括多个可以被环境空气绕流的散热片。加热介质H例如可以在催化器单元44或44'中进行催化氧化过程时被加热。作为替代方案，代替这种催化器单元或附加于该催化器单元，可以设置燃烧器作为氧化单元的另一种示例用于氧化阳极废气中仍含有的残余氢气，在该燃烧器中燃烧残余氢气与氧气、例如在阴极废气中含有的残余氧气。在此产生的热量可以在分配给燃烧器的热交换器中传递到加热介质H并且从该加热介质传递到穿流第二热交换器38的燃料电池废气。
在根据本发明构造的燃料电池废气设备中，如特别是图4至7的实施方式所示，可以设置不同系统区域、尤其是第一燃料电池废气冷却单元、第一分离单元和燃料电池废气加热单元、必要时也包括第二燃料电池废气冷却单元的结构上的联接或融合，使得这些不同系统区域直接彼此连接或者也在流动技术方面彼此重叠。因此，借助于第一分离单元已经可以在第一燃料电池废气冷却单元的区域中和/或也在燃料电池废气加热单元的区域中从燃料电池废气中分离出并且例如以液态形式收集水蒸气或水。
应指出，燃料电池废气设备的上述结构也可以用于根据其它功能原理工作的燃料电池中，在其中也或者替代地在阳极区域中产生更大比例的水或水蒸气并且通过阳极废气从燃料电池中排出。在这种情况下，例如第一燃料电池废气管路可以与燃料电池的阳极废气出口连接，而第二燃料电池废气管路可以与燃料电池的阴极废气出口连接。

Claims (21)

1.燃料电池废气设备，尤其是用于车辆，包括：
能够由燃料电池废气穿流的、用于从燃料电池废气中排出热量的第一燃料电池废气冷却单元(30)，
在第一燃料电池废气冷却单元(30)的区域中或/和下游的、用于分离包含在燃料电池废气中的冷凝物的第一分离单元(34)，
在第一分离单元(34)的区域中或/和下游的、用于加热燃料电池废气的燃料电池废气加热单元(36)。
2.根据权利要求1所述的燃料电池废气设备，其特征在于，所述第一燃料电池废气冷却单元(30)包括用于将热量从燃料电池废气传递到冷却介质(K)、优选冷却液或冷却气体的第一热交换器(32)。
3.根据权利要求1或2所述的燃料电池废气设备，其特征在于，所述燃料电池废气加热单元(36)包括用于将热量从加热介质(H)、优选加热液体或加热气体传递到燃料电池废气的第二热交换器(38)，或/和所述燃料电池废气加热单元(36)包括至少一个可电激励的加热器(39)。
4.根据权利要求2和权利要求3所述的燃料电池废气设备，其特征在于，穿流第一热交换器(32)和第二热交换器(38)的载热介质(M)提供所述冷却介质(K)和所述加热介质(H)。
5.根据权利要求2和权利要求3所述的燃料电池废气设备，其特征在于，设有提供第一热交换器(32)和第二热交换器(38)的热交换器单元(54)，所述热交换器单元(54)包括能够由燃料电池废气穿流的上游热交换器区域(56)和在上游热交换器区域(56)的下游的、与上游热交换器区域(56)处于热传递相互作用的下游热交换器区域(58)。
6.根据权利要求5所述的燃料电池废气设备，其特征在于，所述第一分离单元(34)设置在上游热交换器区域(56)的下游和下游热交换器区域(58)的上游。
7.根据权利要求5或6所述的燃料电池废气设备，其特征在于，在上游热交换器区域(56)的下游和/或在上游热交换器区域(56)的下游端部(64)处和在下游热交换器区域(58)的上游和/或在下游热交换器区域(58)的上游端部(68)处，设有用于从燃料电池废气中排出热量的第二燃料电池废气冷却单元(50)。
8.根据权利要求7所述的燃料电池废气设备，其特征在于，所述第二燃料电池废气冷却单元(50)包括用于将热量从燃料电池废气传递到冷却介质(K)、优选冷却液或冷却气体的第三热交换器(52)。
9.根据权利要求8所述的燃料电池废气设备，其特征在于，所述热交换器单元(54)包括热交换器单元壳体(60)，其中，上游热交换器区域(56)和下游热交换器区域(58)设置在所述热交换器单元壳体(60)中，并且第三热交换器(52)基本上设置在所述热交换器单元壳体(60)中和/或将所述热交换器单元壳体(60)在外侧包围地设置。
10.根据权利要求5至9中任一项所述的燃料电池废气设备，其特征在于，所述热交换器单元(54)包括对流热交换器或交叉流热交换器。
11.根据权利要求1至10中任一项所述的燃料电池废气设备，其特征在于，设有通向第一燃料电池废气冷却单元(30)的第一燃料电池废气管路(22)、优选阴极废气管路。
12.根据权利要求11所述的燃料电池废气设备，其特征在于，所述第一燃料电池废气管路(22)分配有第二分离单元(48)，其用于分离基本上以微滴形式包含在燃料电池废气中的液体。
13.根据权利要求11或12所述的燃料电池废气设备，其特征在于，设有第二燃料电池废气管路(28)、优选阳极废气管路，所述第二燃料电池废气管路(28)通入第一燃料电池废气管路(22)中或通入从燃料电池废气加热单元(36)引出的燃料电池废气排出管路(40)中。
14.根据权利要求12和权利要求13所述的燃料电池废气设备，其特征在于，所述第二燃料电池废气管路(28)在第二分离单元(48)的下游通入第一燃料电池废气管路(22)中。
15.根据权利要求1至14中任一项所述的燃料电池废气设备，其特征在于，设有至少一个氧化单元、优选催化器单元(44、44')或/和燃烧器，用于氧化燃料电池废气中包含的氢气。
16.根据权利要求15——只要引用权利要求13或14——所述的燃料电池废气设备，其特征在于，在第二燃料电池废气管路(28)中在到燃料电池废气排出管路(40)的入口的上游设有至少一个氧化单元，或/和在第一燃料电池废气管路(22)中在第二燃料电池废气管路(28)到第一燃料电池废气管路(22)的入口的下游设有至少一个氧化单元。
17.根据权利要求1至16中任一项所述的燃料电池废气设备，其特征在于，设有至少一个燃料电池废气消音器(42)，其设置在从燃料电池废气加热单元(36)引出的燃料电池废气排出管路(40)中。
18.根据权利要求17——只要引用权利要求13——所述的燃料电池废气设备，其特征在于，至少一个燃料电池废气消音器(42)设置在第二燃料电池废气管路(28)到燃料电池废气排出管路(40)的入口的下游。
19.燃料电池系统，包括燃料电池(12)和分配给燃料电池的、根据权利要求1至18中任一项所述的燃料电池废气设备(11)。
20.根据权利要求19——只要引用权利要求13——所述的燃料电池系统，其特征在于，所述第一燃料电池废气管路(22)——优选通过阴极废气截止单元(20)——连接到燃料电池(12)的阴极废气出口(18)上，并且所述第二燃料电池废气管路(28)——优选通过阳极废气截止单元(26)——连接到燃料电池(12)的阳极废气出口(24)上。
21.用于运行燃料电池系统(10)、尤其是根据权利要求19或20所述的燃料电池系统(10)的方法，在所述方法中，将从燃料电池(12)排出的燃料电池废气冷却以冷凝出水，并且将冷凝出水之后的、水蒸气贫化的燃料电池废气加热。
CN202311001329.5A 2022-08-11 2023-08-10 燃料电池废气设备、燃料电池系统及其运行方法 Pending CN117594844A (zh)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102022120291.7 2022-08-11
DE102022120291.7A DE102022120291A1 (de) 2022-08-11 2022-08-11 Brennstoffzellenabgasanlage

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN117594844A true CN117594844A (zh) 2024-02-23

Family

ID=87157932

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202311001329.5A Pending CN117594844A (zh) 2022-08-11 2023-08-10 燃料电池废气设备、燃料电池系统及其运行方法

Country Status (6)

Country Link
US (1) US20240055628A1 (zh)
EP (1) EP4322266A2 (zh)
JP (1) JP2024025767A (zh)
KR (1) KR20240022423A (zh)
CN (1) CN117594844A (zh)
DE (1) DE102022120291A1 (zh)

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6834831B2 (en) 2002-12-31 2004-12-28 The Boeing Company Hybrid solid oxide fuel cell aircraft auxiliary power unit
DE102004058430B4 (de) 2004-12-03 2010-07-29 Airbus Deutschland Gmbh Versorgungssystem zur Energieversorgung in einem Luftfahrzeug, Luftfahrzeug und Verfahren zum Versorgen eines Luftfahrzeugs mit Energie
DE102007052465A1 (de) 2007-11-02 2009-05-07 Daimler Ag Brennstoffzellensystem und Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems
DE102011122306A1 (de) 2011-12-23 2013-06-27 Daimler Ag Brennstoffzellensystem

Also Published As

Publication number Publication date
KR20240022423A (ko) 2024-02-20
EP4322266A2 (de) 2024-02-14
US20240055628A1 (en) 2024-02-15
DE102022120291A1 (de) 2024-02-22
JP2024025767A (ja) 2024-02-26

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR100733441B1 (ko) 연료 전지 시스템
US6472095B2 (en) Hybrid fuel cell reactant flow fields
KR101581972B1 (ko) 고온 연료전지 시스템에 사용하기 위한 물 회수 조립체
US6428916B1 (en) Coolant treatment system for a direct antifreeze cooled fuel cell assembly
KR101578958B1 (ko) 연료전지 캐소드 배기로부터 물을 전달하기 위한 물 회수 조립체
JP2002505508A (ja) 燃料電池装置
US10207597B2 (en) Fuel cell system as well as vehicle having such a fuel cell system
KR20030036627A (ko) 유입되는 연료전지 처리기체의 가습/온도제어 방법 및 장치
US7998632B2 (en) Anode tail gas recycle cooler and re-heater for a solid oxide fuel cell stack assembly
KR20010025047A (ko) 연료 전지 시스템을 이용하여 전기 에너지를 생성하는연료 전지 시스템 및 그 방법
US20120007370A1 (en) Fuel Cell System Comprising at Least One Fuel Cell
WO2003058742A1 (en) Fuel cell power plant having a reduced free water volume
JP5439505B2 (ja) 少なくとも１つの燃料電池を備えた燃料電池システム
KR20010072585A (ko) 연료 전지 시스템을 이용하여 전기 에너지를 생성하는연료 전지 시스템 및 그 방법
US20070122670A1 (en) Fuel cell unit
CA2668723C (en) Method and apparatus for improving water balance in fuel cell power unit
JP2004111397A (ja) 燃料電池における反応体流の加湿
US6667122B2 (en) Fuel cell system having a heat exchanger
CN117594844A (zh) 燃料电池废气设备、燃料电池系统及其运行方法
JP4087877B2 (ja) 燃料電池システム
CN117588285A (zh) 用于氢气内燃机的排气设备
KR20240123767A (ko) 연료 전지 배기 시스템
EP2277220A1 (en) Porous flow field plate for moisture distribution control in a fuel cell

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination