CN101536226B - 用于燃料电池组的供给***和用于操作该供给***的方法 - Google Patents

Abstract

尽管燃料电池的基本原理已公知很长时间，但在大力发展中在燃料电池的实际应用中出现了新的问题/方面。本发明涉及一种用于燃料电池组(2)的供给***(3)，其带有向燃料电池组(2)的阴极入口(7)输入氧化剂的阴极气体输入结构、向燃料电池组(2)的阳极入口(9)输入燃料的阳极气体输入结构、从阳极出口往阳极入口(9)回输被部分地消耗的阳极气体的阳极气体再循环结构(12)、以及可接通以将被部分地消耗的阳极气体作为净化气体从阳极气体再循环结构(12)排到阴极气体输入结构中的净化通道(16)，其中供给***(3)还包括调节结构，该调节结构布置在阴极入口(7)的上游，并设计成a)在混合位置处混合氧化剂的部分气流与净化气体，b)压缩、加速部分气流和/或加热部分气流或混合的气流，c)将混合的气流导入阴极气体输入结构中。

Description

用于燃料电池组的供给***和用于操作该供给***的方法

技术领域

本发明涉及如权利要求1的前序部分所述的用于燃料电池组的供给***和用于操作该供给***的方法。

背景技术

在多个应用领域中已将燃料电池组视作未来能源。特别是在汽车工业中，作为无害的车用能源的燃料电池组的发展得到了大力的推动。

通常燃料电池组包括多个燃料电池，其通过电化学反应由燃料(通常是氢气)和氧化剂(通常是环境空气)产生电能。为此，单个的燃料电池/燃料电池单体均具有一阳极区域和一阴极区域，所述阳极区域和阴极区域通过一膜片彼此分开。阳极区域由燃料穿流，而阴极区域由氧化剂穿流。在通过置于其间的膜片的输送过程的辅助下，在催化路径上产生电流。

尽管燃料电池的基本原理已公知很长时间，但在迅速发展中，在燃料电池的实际应用中出现了新的问题。

公开文献WO 02/23657 A2例如致力于提高燃料电池布置结构的耐久性，这通过采用围绕燃料电池的保护壳体来实现。这里为了确保燃料电池的相同工作条件，将由保护壳体包围的内腔在气体侧切换到一闭合循环回路。

文献DE 100 56 536 A1公开了一种燃料电池布置结构，其中剩余阳极气体不再循环，而是继续在一包围燃料电池组的壳体中与进入的空气混合，然后穿过燃料电池组的阴极部。

文献DE 10 2004 055 158 A1大概是最近的现有技术，其涉及一种燃料电池***和用于操作该燃料电池***的方法，其中，燃料电池组的阳极侧排气通道在压缩机的抽吸侧汇入氧化剂的输入通道中。在净化期间，即在阳极气体的短时间净化排出期间，净化气体与氧化剂主流混合，由压缩机压缩并导向燃料电池组的阴极入口。

发明内容

本发明的目的在于提供一种供给***以及用于操作该供给***的方法，其能改善燃料电池组的操作性能。

所述目的由具有权利要求1的特征的供给***和具有权利要求10的特征的方法实现。本发明优选或有利的实施方式由从属权利要求、下面的说明部分和附图给出。

根据本发明提出一种供给***，该供给***适合于和/或设计成为至少一个燃料电池组供给气体。燃料电池组具有多个燃料电池，优选设计成用于在车辆中工作以产生用于车辆的驱动能量。特别地，该燃料电池组以PEM(质子交换膜)技术形成。

供给***具有阴极气体输入结构/管，该阴极气体输入结构布置和/或设计成向燃料电池组的阴极入口引导氧化剂，特别是环境空气。阳极气体输入结构布置和/或设计成向燃料电池组的阳极入口输入燃料，特别是氢气。阴极入口或阳极入口分别以流动技术与燃料电池组的燃料电池的阴极部或阳极部相连接。

利用阳极气体再循环结构，将离开阳极出口的、被部分地消耗的阳极气体输回到阳极入口。阳极气体再循环结构的使用考虑了这样的情形：在燃料电池组中输入的燃料或氢气没有被完全地电化学转化。剩下的燃料或氢气然后借助于阳极气体再循环结构被输回，由新鲜的、也就是说未消耗的氢气更新、并经由阳极入口再输送给燃料电池组。

另外，供给***包括可接通的净化通道，该净化通道布置和/或设计成将被部分地消耗的阳极气体从阳极气体再循环结构排到阴极气体输入结构中，其中排出的、被部分地消耗的阳极气体也被称作净化气体。特别地，一旦再循环的阳极气体中的杂质超过一预定的阈值、并且不利于燃料电池组的工作，阳极气体便作为净化气体排出。

根据本发明，供给***包括调节结构，该调节结构布置在阴极入口的上游。该调节结构设计成压缩和/或加速和/或加热整体上输入燃料电池组的氧化剂的部分气流，并包括一混合位置，在该混合位置处该部分气流与净化气体结合成混合气流。必要时，仅当氧化剂的部分气流与净化气体混合时，才加热所述部分气流。调节结构还设计成将混合气流导引到所述阴极气体输入结构中。因此调节结构实现三个功能，即向部分气流或混合气流中输入能量、混合净化气体与部分气流、以及将混合气流引入阴极气体输入结构中。

对于本发明认为有利的是，在与净化气体混合之前对氧化剂的部分气流的预处理和/或在引入阴极气体输入结构之前对混合气流的加热允许非常准确地控制输入燃料电池组的整体气流混合物的状态。由于改善的状态控制，在净化气体中、进而在整体气流混合物中所含的剩余氢气的后续催化转化可顺利地进行。特别是这样的情形：仅在必要时对作为混合气流的氧化剂部分气流、而不对所有氧化剂进行预处理，改善了对获得的整体气流混合物的状态的控制。

在一种优选实施形式中，供给***包括一净化阀，通过该净化阀可接通净化通道。特别地，该净化阀由一控制装置控制，该控制装置例如根据从燃料电池组获取的能量、根据时间或根据测得的阳极气体中的杂质启动净化。在这种实施形式中仍要说明的是，净化通道仅暂时地，即仅在净化期间被穿流。

在供给***的实际应用中，阴极气体输入结构包括第一泵，其中所述调节结构的线路在所述第一泵的上游汇入阴极气体输入结构中。因此第一泵用于供给混合气流和氧化剂气流的一部分——该部分氧化剂气流不通过调节结构引导。所述第一泵可设计成任何构型，特别是设计成柱塞泵、致流机或流量泵。

在这种实际应用的一种改进方案中，在所述第一泵的上游和/或在所述调节结构的线路的上游，用于氧化剂部分气流的输入结构分支到调节结构中。在这种改进方案中，仍要强调，输入结构以及调节结构的线路都在第一泵的上游汇入阴极气体输入结构中。

在一种供给***的优选实施形式中，所述调节结构包括第二泵，所述第二泵设计成用于加速和/或压缩特别是氧化剂的未混合的部分气流。第二泵特别地可通过一控制装置控制或调节，使得由第二泵输入所述部分气流的能量可以调节。

在一种有利的改进方案中，供给***包括用于特别是气密地容置燃料电池组的壳体。所述壳体包括一通流区域，该通流区域与所述燃料电池组热耦合。特别地，将所述热耦合结构设计成热交换器，从而在工作中利用燃料电池组对流经通流区域的气体进行加热。

优选地，通流区域的至少一部分属于调节结构的组成部分或者与之相配，其中，通流区域的这一部分设计成和/或布置成用以引导混合气流。在这种构型中，在工作中通过由燃料电池释放的热能加热混合气流。

在另一种可选实施形式中，通流区域或通流区域的至少一部分设计成用以加热未混合的部分气流。在这种可选实施形式中，所述部分气流在与净化气体在混合位置处混合之前被压缩和加热。

在第三种可能的可选实施形式中，所述混合位置布置在壳体内，特别是布置在通流区域中，使得输入的未混合的部分气流、输入的未混合的净化气体和排出的混合气流都被加热。

所有三种可能的可选方案都具有这样的优点：能够以节约、能量平衡的方式为气体输入额外的能量。

本发明的另一主题涉及一种用于在车辆中操作如上述权利要求中任一项所述的供给***的方法，其中，通过在再循环的阳极气体达到临界污染程度时接通净化通道来进行阳极净化，使得被污染的阳极气体作为净化气体由阳极气体再循环结构引导入所述调节结构中。

附图说明

本发明的其它特征、优点和作用由下面对本发明的优选实施例的说明以及附图得出。图中：

图1示出燃料电池***的框图，该燃料电池***具有本发明第一实施例的气体供给***；

图2示出图1中的燃料电池***的变型的框图，作为本发明第二实施例的气体供给***；

图3示出图1中的燃料电池***的另一变型的框图，作为本发明第三实施例的气体供给***。

具体实施方式

在附图中相同或相应的部件都具有相同的附图标记。

图1示出燃料电池***1，该燃料电池***包括燃料电池组2，该燃料电池组2由气体供给***3供给工作所需的工作气体。燃料电池***1例如被安装在车辆(未示出)中以产生电机的驱动能量。燃料电池组2具有多个以PEM技术形成的燃料电池。

为了对燃料电池组2进行供给，向燃料电池***1输送来自可再填充的储罐4的、形式为氢气的燃料，和来自输入管5的形式为环境空气的氧化剂。环境空气从输入管5起经由第一泵6压缩、经过阴极入口7进入燃料电池组2。氢气从储罐4起经由一阀8被导入阳极入口9而进入燃料电池组2中。在燃料电池组2中，氧化剂和燃料电化学地相互转化，其中氧化剂在阴极区域导引而燃料在阳极区域导引，氧化剂和燃料通过PEM膜片10彼此分开。在电化学反应中形成的阴极剩余气体经由出口11排入大气。

然而，被部分地消耗的阳极气体却经由阳极气体再循环结构12回引至阀8，由来自储罐4的新鲜/未反应氢气更新，再被导引至阳极入口9。在阳极气体再循环结构12中，可选地设置有脱水器/水分分离器13和用于压缩再循环的阳极气体的再循环泵14。

在再循环时，所有离开阳极出口的阳极气体都被导回，从而将离开的阳极气体中仍含有的氢气用于燃料电池组2的电化学反应，由此优化燃料电池***1的能量平衡。

然而，由于再循环使阳极气体中的杂质积累下来，因此必须以一定的时间间隔将被污染的阳极气体排出或至少排出一部分。为了这种所谓的阳极净化，燃料电池***1具有可借助于第二阀15接通的净化通道16，该净化通道16在一任意位置处、在此是在脱水器13与再循环泵14之间分支出阳极气体再循环结构12。

净化通道16终止于混合位置17处，在该位置处净化气体与氧化剂的部分气流混合。氧化剂的部分气流从输入管5起经过第二泵18、并被该第二泵压缩和/或加速。在混合位置17下游的由氧化剂部分气流和净化气体组成的混合气流接下来流入一包围燃料电池组2的壳体20的一通流区域19。通流区域19与燃料电池组2热耦合，从而，该燃料电池组加热流经通流区域19的混合气流。混合气流在另一线路中离开通流区域19、从而离开壳体20，并在第一泵6的上游又被导入其余的氧化剂流中。

在被泵6压缩之后，所获得的整体气流混合物经过燃料电池组2的阴极区域，其中剩余的氢气被催化转化成水，而剩余的阴极气体无害地排放到大气中。

通过将氧化剂气流分开以及第二泵18的可能调整，能够非常好地控制输入燃料电池组2的阴极区域的整体气流混合物的状态，从而有效地避免临界/危险工作状态。

图2示出图1中的燃料电池***1的变型，其中被压缩的氧化剂部分气流和净化气体分开地导入壳体20中，使得气流的混合在壳体20内的通流区域19中进行。

图3示出图1中的燃料电池***1的第二变型，其中混合位置17布置在壳体20的下游，从而仅有被压缩的氧化剂部分气流穿过通流区域19，而净化气体不穿过通流区域19。

Claims (10)

1.一种用于燃料电池组(2)的供给***(3)，所述供给***(3)

带有用于向燃料电池组(2)的阴极入口(7)输入氧化剂的阴极气体输入结构，

带有用于向燃料电池组(2)的阳极入口(9)输入燃料的阳极气体输入结构，

带有用于从阳极出口往所述阳极入口(9)回输被部分地消耗的阳极气体的阳极气体再循环结构(12)，

带有可接通以用于将被部分地消耗的阳极气体作为净化气体从所述阳极气体再循环结构(12)排出到所述阴极气体输入结构中的净化通道(16)，

其特征在于

调节结构，所述调节结构布置在所述阴极入口(7)的上游，并设计成：

a)在混合位置处混合氧化剂的部分气流与净化气体，

b)压缩、加速所述部分气流和/或加热所述部分气流或混合的气流，

c)将所述混合的气流导引到所述阴极气体输入结构中。

2.如权利要求1所述的供给***(3)，其特征在于，所述净化通道(16)可借助于净化阀(15)接通。

3.如权利要求1或2所述的供给***(3)，其特征在于，所述阴极气体输入结构包括第一泵(6)，所述调节结构的线路在所述第一泵(6)的上游汇入所述阴极气体输入结构中。

4.如权利要求3所述的供给***(3)，其特征在于，用于氧化剂的部分气流的输入结构在所述第一泵(6)的上游和/或在所述调节结构的线路的上游分支。

5.如权利要求1所述的供给***(3)，其特征在于，所述调节结构包括第二泵(18)，所述第二泵设计成用于加速和/或压缩所述氧化剂的部分气流。

6.如权利要求1所述的供给***(3)，其特征在于用于容置燃料电池组(2)的壳体(20)，其中，所述壳体(20)包括与所述燃料电池组(2)热耦合的通流区域(19)。

7.如权利要求6所述的供给***(3)，其特征在于，所述调节结构至少部分地包括所述通流区域(19)，且所述通流区域(19)设计成和/或布置成用以引导混合气流。

8.如权利要求6所述的供给***(3)，其特征在于，所述调节结构至少部分地包括所述通流区域(19)，且所述通流区域(19)设计成和/或布置成用以引导未混合的部分气流。

9.如权利要求6所述的供给***(3)，其特征在于，所述调节结构至少部分地包括所述通流区域(19)，且用于混合部分气流与净化气体的混合位置(17)布置在所述通流区域(19)中。

10.一种用于在如上述权利要求中任一项所述的供给***(3)中进行阳极净化的方法，其中在被部分地消耗的阳极气体中的杂质超过一预定的阈值时，接通净化通道(16)，从而将被污染的阳极气体作为净化气体由阳极气体再循环结构(12)引导入所述调节结构中。

Images