CN118355534A - 用于运行燃料电池系统的方法、燃料电池系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于运行燃料电池系统(1)的方法，所述燃料电池系统包括至少一个燃料电池(2)，所述燃料电池通过空气供入路径(3)被供应空气，所述空气在其进入到所述燃料电池(2)中之前借助集成到所述空气供入路径(3)中的空气压缩机(4)被压缩并且借助在所述空气压缩机(4)下游集成到所述空气供入路径(3)中的阀单元(5)被加湿，借助泵(6)将水从所述箱(7)经由第一管路(30)供应给所述阀单元。当在所述空气压缩机(4)下游的空气供入路径(3)中的经压缩的空气的温度低于所需的温度水平时，加热所述第一管路(30)中的水。

Description

用于运行燃料电池系统的方法、燃料电池系统
技术领域
本发明涉及一种用于运行燃料电池系统的方法以及一种适合于执行所述方法或能够按照所述方法运行的燃料电池系统。
背景技术
燃料电池将燃料，例如氢气和氧气转化为电能、热和水。空气、尤其环境空气可以用作氧气提供者。空气经由空气供入路径被供应给燃料电池的阴极。因为能量转换过程需要一定的空气质量流和一定的压力水平，所以事先借助布置在空气供入路径中的空气压缩机压缩在阴极侧供应的空气。此外，在进入到燃料电池中之前，空气被加湿，以便防止燃料电池的膜干燥。否则存在燃料电池损坏的危险。
气体至气体-膜加湿器可以被用于加湿，其将在燃料电池运行中积累的水、尤其产物水从燃料电池的出口侧运送到入口侧。因为交换面必须大，以便运送所需的水质量流，所以这样的加湿器的安装空间需求相当大。此外，仅当在出口侧上存在足够的水时才能运送水。因为水始终保留在交换区域中，这可能在霜冻时由于冰压而导致损坏。此外，在这种加湿器中不存在直接控制水输送的介入可能性。通常，为此在两侧之一上设置旁路通道，该旁路通道借助旁通阀允许调设在燃料电池入口处的湿度。精确地调整该方案是困难的和因此费事的。
作为替代方案也可以借助喷雾配量进行加湿。然而，在此应注意，空气被充分加热。在高负载点时，这由于压缩机的压缩功而发生。在低负载点时，该热量不够、空气通过附加的水冷却并且随后必须在热交换器中又恢复到目标温度。在此，液态水也必须被蒸发，以便达到与此匹配的目标湿度。该空气调节器需要大量的结构空间并且难以设计。
发明内容
因此，本发明所基于的任务是提供一种用于加湿在燃料电池系统的空气供入路径中的空气的方案，使得能够精确地调设空气的进入湿度和进入温度并且还易于实施。
为了解决该任务，提出具有权利要求1特征的方法和具有权利要求7特征的燃料电池系统。本发明的有利扩展方案能够从各从属权利要求中得出。
具有独立权利要求1特征的根据本发明的方法和具有独立权利要求7特征的根据本发明的燃料电池系统具有以下优点：可以在空气压缩机的所有运行点时确保水在喷射到空气供入路径中时蒸发。
避免了在低负载点时空气供入路径中的空气被冷却。此外，通过根据本发明的方法避免空气供入路径中的空气随后必须在热交换器中达到目标温度。因为在空气供入路径中不存在液态水，该液态水也不必在热交换器中蒸发，以便达到与此匹配的目标湿度。这引起高的能量节约。此外，在燃料电池之前的热交换器可以设计得更小，使得可以节省成本和安装空间。
为了确保水在确定的运行点中、尤其在空气压缩机的低负载点时以蒸气形式被喷射或者在喷射时蒸发，用于喷射的水达到较高压力，使得水的沸点高于在空气压缩机下游的空气供入路径中的经压缩的空气中相应的水。在此，高于约3bar的气压是特别有利的。
优选地，借助泵将水从箱输送至超过空气供入路径中的气体压力的用于喷射的压力水平。因此，水可以在引入到空气供入路径中时借助至少一个阀单元精细地被雾化。
此外，第一管路中的经压缩的水可以达到高于在空气压缩机下游的空气供入路径中的经压缩的空气中的水的沸点温度。因此，经压缩的水在第一管路中被加热到高于水在相应于在空气压缩机下游的空气供入路径中的经压缩的空气的当前压力的压力时的沸点温度。
以这种方式，阀单元可以将热的、但液态的(并且因此易于配量的)水配量到空气供入路径的空气中。由于膨胀，水通过阀单元蒸发，使得蒸汽状地供应湿气。通过蒸气状的供应，阴极气体中的温度升高。
此外，在高负载点时可以配量未加热的水。
有利的是，用于加热水所需的能量借助热管由空气压缩机提供，因为以这种方式已经存在的热能可以成本低地被用于加热水。
如果通过热管提供的能量不足，则用于加热水的加热装置是一种简单且因此有利的替代方案。
借助阀单元可以将水作为喷雾引入。即水以非常细的小水滴形式被引入，这便于水的蒸发。同时以这种方式实现空气供入路径中的水的良好分布。如果水在压缩之后立即被引入，则可以利用在空气压缩机的出口处的涡流用于水和空气的优化混合。同时，在压缩机之后立即如此强地加热空气，使得借助阀单元引入的水直接蒸发。
有利地，为了优化湿度分布，经压缩和经加湿的空气被引导通过混合区段。根据混合区段的长度可以以这种方式同时确保剩余的液态水含量在混合区段的端部上已经下降到可容许的水平。优选地，混合区段在至少一个阀单元和热交换器之间集成到空气供入路径中。在混合区段的端部上的残留在空气中的液态水含量然后可以在流过热交换器时蒸发。
因此，所提出的燃料电池系统具有用于执行前面所描述的根据本发明的方法所需的所有部件。因此，所提出的燃料电池系统可以按照这样的方法运行。因此，借助燃料电池系统能够实现与借助前面所描述的根据本发明的方法相同的优点。
当第二阀单元经由第二管路与泵和箱连接时，产生特别的优点，因为水可以在空气压缩机的不必加热水的高负载点时经由第二阀单元被喷射。
优选地，热交换器在至少一个阀单元下游集成到空气供入路径中。借助热交换器，空气在进入到燃料电池中之前可以达到所需的目标温度。此外，在空气中存在的剩余液态水可以在流经热交换器时蒸发。因此，热交换器辅助引入的水的完全蒸发。
附图说明
附图示出了：
图1：根据第一实施例的本发明的燃料电池系统的示意图，
图2：根据第二实施例的本发明的燃料电池系统的示意图。
具体实施方式
在图1中示出根据本发明的第一实施例的燃料电池系统1的示意性拓扑结构，该燃料电池系统具有至少一个具有阴极11和阳极12的燃料电池堆2。空气能够经由空气供入路径3被供应给阴极11。阳极12可以经由未详细示出的阳极回路被供给以燃料、尤其是氢气。此外，燃料电池2还具有连接到冷却回路上的接头13，使得由此能够导出燃料电池2的废热。此外设置用于未详细示出的电气部件的接头14。
经由空气供入路径3供应给燃料电池2的空气从周围环境中提取并且经由空气过滤器21被供应给集成到空气供入路径3中的空气压缩机4。借助空气压缩机4压缩空气，其中，空气被加热。随后，借助在空气压缩机4下游布置在空气供入路径3中的阀单元5将水喷入到空气供入路径3中，以便加湿空气。阀单元5为此经由第一管路30和泵6与储存水的箱7连接。水尤其可以是去离子水。通过阀单元5被用于对空气供入路径3中的空气进行加湿，水可以在引入时非常细地被雾化。即形成最小的液滴，这些液滴在加热的空气中容易蒸发并且因此均匀地分布。
为了促进混合，空气供入路径3在阀单元5下游形成混合区段9。该混合区段通向热交换器8，借助该热交换器可以在经压缩和经加湿的空气进入到燃料电池2中之前调设该空气的温度。
在最简单的实施方式中，混合区段9可以是简单的管。为了促进水滴的分布，可以设置导致流过的空气紊流的内置件(未示出)。
从燃料电池2离开的空气或废气经由废气路径15被供应给涡轮机16，以便回收之前在压缩时引入的能量的一部分。在废气进入到涡轮机16中之前，可以借助集成到废气路径15中的水分离器17从所述废气中提取水。该措施用于保护涡轮机16。
对于图1的示图替代地，阀单元5也可以布置在混合区段9内。
借助阀单元5被细雾化的水与空气混合并变成潮湿的空气。在此，空气冷却。
第一管路30具有布置在泵6和阀单元5之间的加热装置33。加热装置33用于加热水。
加热装置33可以构造为热管31，其中，热管31将热能从热源运送到第一管路30的水中。根据本发明的一个实施方式，可以借助热管31由空气压缩机4提供用于加热第一管路30中的水所需的温度水平。替代地，热管31可以与在燃料电池系统1内的其它热构件连接。
在一个替代的实施方式中，附加电加热装置32可以布置在第一管路30内，以便加热水。如果通过热管31提供的温度水平不足以加热第一管路30中的水，则该附加电加热装置也可以用于辅助热管31。
因此，加热装置33可以构造为热管31和/或电加热器32。
当在空气压缩机4下游的空气供入路径3中的压缩空气的温度低于所需的温度水平时，第一管路30中的水被加热。
在空气压缩机4下游的空气供入路径3中的压缩空气的温度可以借助空气供入路径3中的温度传感器确定。根据本发明的一个实施方式，在空气压缩机4下游的空气供入路径3中的压缩空气的温度根据空气压缩机4的负载点确定。
第一管路30中的水借助泵6被输送至高于在空气压缩机4下游的空气供入路径3中的气体压力的压力水平。
在燃料电池2的入口处的目标湿度进行调节可以借助在阀单元5处的能够可变地调设的水质量流实现。以这种方式可以在任何负载状态下优化地配量水并且可以调设对应的目标湿度。
在图2中示出根据本发明的第二实施例的燃料电池系统1的示意性拓扑结构。除了在下面阐述的区别外，在图2中所示的燃料电池系统1相应于图1的拓扑结构。
第二阀单元51在空气压缩机4下游布置在空气供入路径3中。水也可以经由第二阀单元51被喷入到空气供入路径3中，以便加湿空气。为此，阀单元50经由第二管路35与泵6和箱7连接。
能够关闭和打开的第二阀单元51可以布置在第二管路35中。第二阀单元51用于将未加热的水在压缩机4的高负载点时配量到空气供入路径3中。

Claims (11)

1.一种用于运行燃料电池系统(1)的方法，所述燃料电池系统包括至少一个燃料电池(2)，所述燃料电池通过空气供入路径(3)被供应空气，所述空气在其进入到所述燃料电池(2)中之前借助集成到所述空气供入路径(3)中的空气压缩机(4)被压缩并且借助在所述空气压缩机(4)下游集成到所述空气供入路径(3)中的阀单元(5)被加湿，借助泵(6)将水从箱(7)经由第一管路(30)供应给所述阀单元，其特征在于，当在所述空气压缩机(4)下游的空气供入路径(3)中的经压缩的空气的温度低于所需的温度水平时，加热所述第一管路(30)中的水。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，借助所述泵(6)将水输送至超过在所述空气压缩机(4)下游的空气供入路径(3)中的气体压力的压力水平。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述空气压缩机(4)下游的空气供入路径(3)中的经压缩的空气的温度根据所述空气压缩机(4)的负载点确定。
4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，用于加热水所需的能量借助热管(31)由所述空气压缩机(4)提供。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，加热装置(32)被用于加热水，尤其在通过所述热管(31)提供的能量不足的情况下。
6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，为了优化湿度分布，经压缩和经加湿的空气被引导通过混合区段(9)，所述混合区段优选地在所述阀单元(5)和热交换器(8)之间集成到所述空气供入路径(3)中。
7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述第一管路(30)中的水被加热到一温度，该温度高于水在如下压力时的沸点温度，该压力相应于在所述空气压缩机(4)下游的空气供入路径(3)中的经压缩的空气的压力。
8.一种燃料电池系统(1)，包括至少一个燃料电池(2)，所述燃料电池能够通过空气供入路径(3)被供应空气，其中，在所述空气供入路径(3)中集成有用于压缩空气的空气压缩机(4)和在所述空气压缩机(4)下游集成有用于加湿空气的至少一个阀单元(5)，并且其中，第一阀单元(5)经由第一管路(30)和泵(6)与用于储存水的箱(7)连接，其特征在于，所述第一管路(30)具有能够加热水的加热装置(33)。
9.根据权利要求8所述的燃料电池系统(1)，其特征在于，所述加热装置(33)构造为热管(31)和/或电加热器(32)。
10.根据权利要求8或9所述的燃料电池系统(1)，其特征在于，在所述阀单元(5)下游，混合区段(9)集成到所述空气供入路径(3)中，其中，所述混合区段(9)优选地布置在所述阀单元(5)和所述热交换器(8)之间。
11.根据权利要求10所述的燃料电池系统(1)，其特征在于，第二阀单元(51)经由第二管路(35)与所述泵(6)和所述箱(7)连接，其中，水在所述空气压缩机(4)的高负载点时经由所述第二阀单元(51)被喷射。
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