專利名稱：包括至少一個(gè)燃料電池的燃料電池系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種根據(jù)在權(quán)利要求1的前序部分中詳細(xì)定義的類型的包括至少一個(gè)燃料電池的燃料電池系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
DE 102007003144A1描述了一種常規(guī)燃料電池系統(tǒng)。該燃料電池系統(tǒng)包括將“冷卻”和“加濕”兩種功能相組合的置換裝置。這種在該文獻(xiàn)中稱為功能單元的置換裝置允許從燃料電池的排放空氣向到燃料電池的進(jìn)氣空氣(intake air)的材料流動(dòng)，而同時(shí)發(fā)生從由壓縮裝置加熱的進(jìn)氣空氣到比較涼的排放空氣的熱交換。DE 102007003144A1由此附加地示出一種結(jié)構(gòu)，其中燃料電池系統(tǒng)的空氣供給通過壓縮機(jī)實(shí)現(xiàn)，該壓縮機(jī)可以一方面由渦輪驅(qū)動(dòng)和/或另一方面由電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。這種在燃料電池系統(tǒng)方面普遍公知的結(jié)構(gòu)也稱為電動(dòng)渦輪增壓器并允許至少支持壓縮機(jī)的驅(qū)動(dòng)，并在電機(jī)的功率過剩時(shí)通過渦輪作為發(fā)電機(jī)工作。此外，US2005/0019633A1公開了一種具有陽極再循環(huán)回路(cycle)的燃料電池系統(tǒng)。在這種系統(tǒng)中，隨時(shí)從陽極回路中排出的廢氣與來自陰極區(qū)域的廢氣(通常，也就是經(jīng)使用的空氣)混合并在催化燃燒器內(nèi)燃燒。在除濕的經(jīng)使用的空氣和來自陽極區(qū)的廢氣催化燃燒時(shí)產(chǎn)生可以利用的相應(yīng)熱能，以便加熱燃料電池系統(tǒng)的冷卻回路。這種操作方式對(duì)于這種燃料電池系統(tǒng)的冷啟動(dòng)來說肯定代表著相應(yīng)優(yōu)點(diǎn)，但對(duì)于正常操作來說，將這種廢熱輸送到冷卻水卻是非常臨界的，因?yàn)槔缭谲囕v上可供足夠冷卻燃料電池使用的冷卻面積是不夠或很差的。此外，在US 2005/0019633A1的結(jié)構(gòu)中，在催化燃燒器的區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生的廢熱除了冷啟動(dòng)的情況外并不能有效利用。

發(fā)明內(nèi)容
這里本發(fā)明的目的因此在于，對(duì)燃料電池系統(tǒng)進(jìn)行如下改進(jìn)，使氫不排放到環(huán)境以及燃料電池系統(tǒng)以盡可能最佳利用可供使用的能量的方式操作。該目的根據(jù)本發(fā)明權(quán)利要求1所述的特征得以實(shí)現(xiàn)。通過將催化材料集成到置換裝置的經(jīng)使用的空氣側(cè)，省去附加的部件并縮短陽極區(qū)廢氣的線路。這種結(jié)構(gòu)因此可以使廢氣直接流入陰極區(qū)后面的經(jīng)使用的空氣內(nèi)，因?yàn)檫@種混合氣體共同進(jìn)入置換裝置，在該置換裝置的催化材料區(qū)域內(nèi)，處于廢氣內(nèi)的殘余氫可與陰極區(qū)的經(jīng)使用的空氣內(nèi)的殘余氧產(chǎn)生反應(yīng)。在這種反應(yīng)時(shí)產(chǎn)生熱和水蒸汽。熱在這里特別受歡迎，因?yàn)槌擞赏ㄟ^壓縮機(jī)之后非常熱的進(jìn)氣空氣引入的熱之外，還向從置換裝置向渦輪的方向流動(dòng)的經(jīng)使用的空氣引入了附加的熱。根據(jù)本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)因此允許來自陽極區(qū)的含氫廢氣與來自陰極區(qū)的經(jīng)使用的空氣中的殘余氧轉(zhuǎn)換，并因此防止氫向燃料電池系統(tǒng)的環(huán)境擴(kuò)散。此外，通過由此產(chǎn)生的廢熱，置換裝置后面的經(jīng)使用的空氣比在置換裝置的經(jīng)使用的空氣側(cè)沒有催化材料時(shí)明顯更熱。由此可以達(dá)到向渦輪輸送附加能量的目的。由含氫廢氣的轉(zhuǎn)換中產(chǎn)生的能量因此可以有益地在燃料電池系統(tǒng)內(nèi)使用，在該燃料電池系統(tǒng)內(nèi)，這種能量支持渦輪的驅(qū)動(dòng)。根據(jù)燃料電池系統(tǒng)一種特別有益的設(shè)置，作為含燃料的氣體，可以輸送附加的燃料，特別是氫。這種設(shè)置允許除了來自陽極區(qū)的廢氣外輸送附加的燃料作為含燃料的氣體。原則上這種燃料可以是任意的燃料。但如果燃料電池系統(tǒng)利用氫運(yùn)行，而且這種氫在任何情況下存在，那么該氫可以理想的方式作為附加燃料加以利用。附加燃料向置換裝置并因此向置換裝置的經(jīng)使用的空氣側(cè)內(nèi)的催化材料的輸送使燃料與經(jīng)使用的空氣內(nèi)殘余氧的轉(zhuǎn)換得到提高。這產(chǎn)生附加的熱，這種熱然后明顯提高可以通過渦輪調(diào)用的功率。這種附加的能量然后可以用于驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)。此外根據(jù)本發(fā)明一種特別有益的設(shè)置，壓縮機(jī)可由電機(jī)驅(qū)動(dòng)，其中，在渦輪上功率過剩的情況下，渦輪驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)模式的電機(jī)以產(chǎn)生電能。在具有上述類型的電機(jī)的燃料電池系統(tǒng)的這種設(shè)置中，如果將附加的燃料輸送到置換裝置的經(jīng)使用的空氣側(cè)上的催化材料區(qū)域內(nèi)，那么通過附加產(chǎn)生的熱也可以直接產(chǎn)生電能，該電能然后作為附加的電能不僅可以用于驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)，而且還可以用于其他耗電器， 例如像電動(dòng)機(jī)等等的裝置。通過附加產(chǎn)生廢熱，因此可以實(shí)現(xiàn)“加速(boost)”操作。此外在本發(fā)明一種特別具有優(yōu)點(diǎn)的設(shè)置中，熱屏蔽置換裝置的進(jìn)氣空氣側(cè)與具有催化材料的區(qū)域。這一點(diǎn)例如可以由此進(jìn)行，即兩個(gè)區(qū)域彼此不接觸或僅間接熱接觸，例如其中在該區(qū)域內(nèi)置換裝置的進(jìn)氣空氣側(cè)與排氣側(cè)之間實(shí)現(xiàn)導(dǎo)熱比較差的材料或空氣隙。因而可以避免催化材料的區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生的廢熱和在這里特別是利用附加燃料運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的熱，不必要地加熱到燃料電池的陰極區(qū)的進(jìn)氣空氣。所介紹的所有方案中的根據(jù)本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)，在具有可實(shí)現(xiàn)的使用壽命和效率的理想設(shè)置的情況下，允許簡單、緊湊并因此成本低廉的結(jié)構(gòu)。根據(jù)本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)因此特別適合于在運(yùn)輸(transport)裝置中使用，并在這里適用于產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)運(yùn)輸裝置和/或運(yùn)輸裝置內(nèi)的輔助耗電器的電力。由此，在本發(fā)明的意義上，運(yùn)輸裝置是指任何類型的陸地、水上或空中的運(yùn)輸裝置，其中，特別地關(guān)注將這種燃料電池系統(tǒng)用于無軌道的交通工具，而根據(jù)本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)的用途并不局限于此。


根根據(jù)本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)的其他有利設(shè)置來自其他從屬權(quán)利要求，并將通過下面參照附圖詳細(xì)說明的實(shí)施例而顯而易見，其中圖1示出根據(jù)本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)第一可能的實(shí)施例；以及圖2示出根據(jù)本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)另一備選的實(shí)施例。
具體實(shí)施例方式下列附圖中的圖示以非常簡化的圖示僅僅示出了理解本發(fā)明的相當(dāng)復(fù)雜的燃料電池系統(tǒng)所需的部件。由此對(duì)于該燃料電池系統(tǒng)來說不言而喻的是，在燃料電池系統(tǒng)內(nèi)還提供了諸如冷卻回路等等的其他組成部分，雖然在后面所示的附圖中也沒有考慮。
圖1現(xiàn)在示出包括燃料電池2的燃料電池系統(tǒng)1。燃料電池2由此包括以常見方式構(gòu)建的單個(gè)電池的疊層。在燃料電池2內(nèi)形成有陰極區(qū)3和陽極區(qū)4，這些區(qū)域在本實(shí)施例中通過PE膜片5相互隔開。在圖1所示的實(shí)施例中，通過壓縮機(jī)6向陰極區(qū)3輸送進(jìn)氣空氣流。壓縮機(jī)6由此例如可以被設(shè)計(jì)為螺旋壓縮機(jī)或流式壓縮機(jī)，正如在燃料電池系統(tǒng)中常見的那樣?；旧?，也可以設(shè)想用于壓縮所輸送的空氣流的其他可能性，例如通過活塞機(jī)等等。向陰極區(qū)3輸送的進(jìn)氣空氣流在燃料電池2內(nèi)與輸送到陽極區(qū)4的氫反應(yīng)成水， 由此釋放電力。燃料電池2的這種公知原理對(duì)于本發(fā)明來說僅具有次要作用，因此無需贅述。在這里所示的實(shí)施例中，為陽極區(qū)4輸送來自氫儲(chǔ)存裝置7，例如壓力儲(chǔ)存器和/ 或混合儲(chǔ)存器的氫。原則上也可以設(shè)想供給燃料電池2含氫的氣體，該氣體例如由燃料電池系統(tǒng)區(qū)域內(nèi)的含碳?xì)浠衔?hydrocarbon)的初始材料產(chǎn)生。在圖1的示例性實(shí)施例中，來自氫儲(chǔ)存裝置7的氫通過在這里僅示意示出的計(jì)量裝置8導(dǎo)入陽極區(qū)4內(nèi)。從陽極區(qū)4流出的總體上仍還含有比較大量的氫的廢氣通過再循環(huán)管路9以及再循環(huán)輸送裝置10而返回到陽極區(qū)4內(nèi)。在該再循環(huán)的區(qū)域內(nèi)，由此提供由氫儲(chǔ)存裝置7釋放的新鮮氫，從而在陽極區(qū)4內(nèi)始終具有足夠量的氫可供使用。具有再循環(huán)管路9和再循環(huán)輸送裝置10的燃料電池2的陽極區(qū)4的結(jié)構(gòu)本身公知和常見。作為再循環(huán)輸送裝置10例如可以使用氣體噴射泵，其由來自氫儲(chǔ)存裝置7的新鮮氫驅(qū)動(dòng)。作為再循環(huán)輸送裝置10，也可以可選地設(shè)想再循環(huán)風(fēng)機(jī)。不言而喻，也可以是這些不同輸送裝置的組合，它們同樣屬于根據(jù)這里的說明書的再循環(huán)輸送裝置10的定義。此外在使用陽極廢氣的再循環(huán)時(shí)，公知在再循環(huán)管路9的區(qū)域內(nèi)隨著時(shí)間聚集的惰性氣體例如氮，會(huì)穿過PE膜片5從陰極區(qū)3進(jìn)入陽極區(qū)4內(nèi)。此外，為在陽極區(qū)4內(nèi)進(jìn)一步提供足夠濃度的氫，因此在再循環(huán)管路內(nèi)的陽極區(qū)的廢氣需要隨時(shí)排出。為此在根據(jù)圖1的示例實(shí)施例中具有排放閥 11，來自陽極區(qū)4的廢氣通過該排放閥可以隨時(shí)排出。該過程通常也稱為“凈化(purge)”。 廢氣由此除了惰性氣體外，總是還含有相應(yīng)量的殘余氫。在圖1的燃料電池系統(tǒng)1的結(jié)構(gòu)中，從壓縮機(jī)6向陰極區(qū)3流動(dòng)的進(jìn)氣空氣通過對(duì)進(jìn)氣空氣進(jìn)行處理的置換裝置12。典型的是，在壓縮機(jī)6之后的進(jìn)氣空氣具有比較高的溫度。因?yàn)槿剂想姵?和特別地燃料電池2的PE膜片5對(duì)過高的溫度和過干的氣體反應(yīng)非常靈敏，所以進(jìn)氣空氣在置換裝置12內(nèi)被相應(yīng)冷卻和加濕。在此方面，為冷卻和加濕使用來自陰極區(qū)3的經(jīng)使用的空氣流。該經(jīng)使用的空氣流同樣通過置換裝置12流動(dòng)。置換裝置12這樣構(gòu)成，其將進(jìn)氣空氣和經(jīng)使用的空氣的兩個(gè)材料流基本上彼此分開。這一點(diǎn)例如可以由此進(jìn)行，即一個(gè)材料流通過空心纖維流動(dòng)，而另一個(gè)材料流則環(huán)繞空心纖維流動(dòng)。 此外可以設(shè)想，置換裝置12以板式反應(yīng)器的方式構(gòu)成，其中兩個(gè)材料流通過平板或膜片彼此分開。事實(shí)證明特別有益的是，置換裝置12以蜂窩體的形式構(gòu)成，例如像在汽車的廢氣催化器中常見的那樣。通過蜂窩體的相應(yīng)設(shè)置，可以達(dá)到進(jìn)氣空氣流和經(jīng)使用的空氣流在蜂窩體不同的相鄰?fù)ǖ纼?nèi)流動(dòng)的目的。在此方面，原則上可以設(shè)想任何類型的通過，例如兩個(gè)材料流的并流(co-current flow)導(dǎo)引或橫流(cross flow)導(dǎo)引。但事實(shí)證明特別適用的是，材料流以逆流或以具有高逆流部分的流動(dòng)導(dǎo)引而通過置換裝置12。在置換裝置 12內(nèi)，現(xiàn)在出現(xiàn)從熱進(jìn)氣空氣流向陰極區(qū)3到冷的經(jīng)使用的空氣流的熱交換。通過逆流導(dǎo)引，達(dá)到最冷的經(jīng)使用的空氣流與進(jìn)氣空氣流的已經(jīng)得到最強(qiáng)冷卻的部分的導(dǎo)熱接觸， 而已經(jīng)相當(dāng)強(qiáng)加熱的經(jīng)使用的空氣流則冷卻流入置換裝置12內(nèi)時(shí)還非常熱的進(jìn)氣空氣流。由此達(dá)到非常好的冷卻進(jìn)氣空氣流的目的。此外，置換裝置的材料例如允許耐高溫的膜片、多孔陶瓷、沸石等等，允許來自陰極區(qū)3的非常潮濕的經(jīng)使用的空氣流中的水蒸汽進(jìn)入到會(huì)流到陰極區(qū)3的非常干燥的進(jìn)氣空氣流中，該來自陰極區(qū)3的非常潮濕的經(jīng)使用的空氣流攜帶有在燃料電池2內(nèi)產(chǎn)生的產(chǎn)物水。由此進(jìn)氣空氣流相應(yīng)加濕，這樣對(duì)燃料電池 2區(qū)域內(nèi)的PE膜片5的功能和使用壽命產(chǎn)生積極影響。在此方面參閱開頭已經(jīng)提到的DE 102007003144A1所公開的結(jié)構(gòu)和功能。在這里的本實(shí)施例中，除了其根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的結(jié)構(gòu)之外，置換裝置12附加地具有催化材料。在圖示中通過區(qū)域13表示的這種催化材料用于氫與進(jìn)氣空氣中的氧進(jìn)行反應(yīng)。 氫在此方面來自環(huán)繞燃料電池2陽極區(qū)4的再循環(huán)管路9。氫正如已經(jīng)提到的那樣，隨時(shí)通過排氣閥11排出。這種也稱為凈化氣體(purge gas)的含氫廢氣在經(jīng)使用的空氣側(cè)到達(dá)置換裝置12。廢氣或廢氣內(nèi)所含的氫在那里的催化材料13區(qū)域內(nèi)與經(jīng)使用的空氣中的一部分殘余氧進(jìn)行反應(yīng)。在此方面產(chǎn)生熱和水蒸汽形式的水。附加地，可以向置換裝置12的在經(jīng)使用的空氣側(cè)輸送另一燃料。在燃料電池系統(tǒng) 1內(nèi)本來就存在氫的情況下，這一點(diǎn)特別地可以是氫。但也可以設(shè)想輸送碳?xì)浠衔锏鹊龋?如果該燃料在燃料電池系統(tǒng)1內(nèi)可供支配的話。附加的氫的輸送在燃料電池系統(tǒng)1的這里所示的實(shí)施例中，從氫儲(chǔ)存裝置7的區(qū)域通過計(jì)量裝置14以及相應(yīng)的管路件15進(jìn)行。可選的氫也可以像來自陽極區(qū)4的廢氣那樣，引入置換裝置12前面的經(jīng)使用的空氣的輸入管路內(nèi)，正如通過圖1原則上表示的那樣?？蛇x地，也可以設(shè)想，將廢氣和/或氫直接引入置換裝置12內(nèi)，并在這里特別是催化材料13的區(qū)域內(nèi)。附加的氫現(xiàn)在可以利用，以便在催化材料13的區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生附加的熱。為限制所產(chǎn)生的熱從催化材料13的區(qū)域進(jìn)入到陰極區(qū)3 的進(jìn)氣空氣，置換裝置12的經(jīng)使用的空氣區(qū)與進(jìn)氣空氣區(qū)之間可以設(shè)置熱去耦。這種熱去耦例如可以通過空氣隙或?qū)岵畹牟牧蠈?shí)現(xiàn)。也可以設(shè)想，具有催化材料13的區(qū)域相對(duì)于進(jìn)氣空氣區(qū)從置換裝置12凸出，從而流入置換裝置12內(nèi)的進(jìn)氣空氣不與經(jīng)使用的空氣側(cè)上的催化材料13的區(qū)域直接接觸。燃料電池系統(tǒng)1現(xiàn)在具有一種可能性是，利用排氣中存在的廢熱和里面所含有的壓力能。為此，經(jīng)使用的空氣通過在置換裝置12之后的渦輪16，在該渦輪內(nèi)特別地將經(jīng)使用的空氣中所含有的廢熱轉(zhuǎn)換成機(jī)械能。渦輪16直接或間接與壓縮機(jī)6耦合，從而渦輪16 內(nèi)出現(xiàn)的能量可以用于驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)6。因?yàn)樵诖蠖鄶?shù)的操作狀態(tài)下通過渦輪16提供的能量不足以驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)6，所以該壓縮機(jī)附加地與電機(jī)17連接。通過該電機(jī)17可以附加地為壓縮機(jī)6提供驅(qū)動(dòng)能。如果在確定的操作狀態(tài)下渦輪16內(nèi)出現(xiàn)功率過剩，那么渦輪16不僅可以驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)16，而且在這種情況下還可以驅(qū)動(dòng)作為發(fā)電機(jī)的電機(jī)17。然后由電機(jī)17 產(chǎn)生的電功率另一方面可以在燃料電池系統(tǒng)1內(nèi)使用或儲(chǔ)存。所謂電動(dòng)渦輪增壓器的這種結(jié)構(gòu)本身也由現(xiàn)有技術(shù)的燃料電池系統(tǒng)中公知。一個(gè)特定的優(yōu)點(diǎn)現(xiàn)在由此產(chǎn)生，即通過渦輪16來使用經(jīng)使用的空氣內(nèi)存在的廢熱。迄今為止視為問題的在來自陽極區(qū)4的廢氣與氧催化反應(yīng)時(shí)的加熱，可利用這種結(jié)構(gòu)加以有利地使用，因?yàn)閭鬟f到經(jīng)使用的空氣的熱現(xiàn)在在渦輪16內(nèi)被使用，并可以轉(zhuǎn)換成機(jī)械能。根據(jù)圖2的燃料電池系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)因此允許通過有效利用在催化材料13的區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生的廢熱而對(duì)其進(jìn)行有益的應(yīng)用。因此不再像現(xiàn)有技術(shù)中那樣，出于熱的原因或老化原因或出于系統(tǒng)技術(shù)的原因的殘余氫的量由此不再受到限制。雖然盡可能多的氫在燃料電池2 內(nèi)轉(zhuǎn)換，但根據(jù)圖2的燃料電池系統(tǒng)1的結(jié)構(gòu)允許需要時(shí)更大量的殘余氫也在置換裝置12 的催化材料13區(qū)域內(nèi)進(jìn)行轉(zhuǎn)換。這樣完全可以首先取消陽極再循環(huán)。通過計(jì)量裝置14和管路件15添加燃料，現(xiàn)在也可以借助催化材料13的區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生的廢熱對(duì)渦輪16進(jìn)行限定的操作。這種加速操作在確定的操作情況下非常有意義。這種情況的一個(gè)例子是燃料電池 2的輸出功率突然增高，造成壓縮機(jī)6的功率相應(yīng)增高。在這種情況下，通過廢熱量的增高， 渦輪上提高更大的功率，其至少有助于滿足這種情況下壓縮機(jī)的功率要求。作為對(duì)此的備選，通過添加可選的燃料和渦輪16因此進(jìn)行的加速，電能也可以直接通過然后作為發(fā)電機(jī)操作的電機(jī)17產(chǎn)生。附加的電力例如可以在電上補(bǔ)充突變的功率需求和/或可選地相對(duì)慢地反應(yīng)燃料電池2。圖1的燃料電池系統(tǒng)1的結(jié)構(gòu)此外可以具有環(huán)繞置換裝置12這里未示出的可控或可調(diào)的旁路。旁路在此方面既可以設(shè)置在進(jìn)氣空氣側(cè)，也可以設(shè)置在經(jīng)使用的空氣側(cè)。旁路會(huì)允許一部分材料流環(huán)繞置換裝置12引導(dǎo)，以便在需要時(shí)在進(jìn)氣空氣或另一方面的經(jīng)使用的空氣情況下在置換裝置12后面重新與原始材料流混合。由此可以限定的方式來調(diào)整濕度，或在不希望加濕的情況下避免這種加濕。但因?yàn)檫@種旁路在加濕器方面的現(xiàn)有技術(shù)中公知，所以對(duì)此不再贅述。圖2現(xiàn)在示出燃料電池系統(tǒng)1的一種可選的實(shí)施例。相同的部件在此方面具有相同的附圖符號(hào)并具有與圖1中的類似部件可對(duì)比的功能。因此下面僅涉及圖2的燃料電池系統(tǒng)1與到目前所介紹內(nèi)容的區(qū)別。圖2的燃料電池系統(tǒng)1與圖1的燃料電池系統(tǒng)1相比基本上具有一個(gè)區(qū)別。該區(qū)別在于，陽極區(qū)4的廢氣不進(jìn)行循環(huán)，而是該廢氣在進(jìn)氣空氣側(cè)直接進(jìn)入置換裝置12內(nèi)。燃料電池2在圖2的實(shí)施例中因此不利用陽極回路操作，而是利用僅由氫通過的陽極操作，其中，一定程度過剩的氫作為廢氣從陽極區(qū)4重新釋放。從現(xiàn)有技術(shù)中同樣公知的這種結(jié)構(gòu)通常與將陽極區(qū)劃分成不同的有效(active)分區(qū)相結(jié)合，其中，在氫的流動(dòng)方向上依次的分區(qū)具有依次減小的有效面積，從而剩余的氫流可以盡可能進(jìn)行轉(zhuǎn)換，而無需提供未被利用的有效面積。在使用這種級(jí)聯(lián)化的陽極區(qū)4方面，在從氫儲(chǔ)存裝置7供給燃料電池2純氫時(shí)，在此方面可以僅具有3-5%非常低的過剩氫。這種過剩的氫然后作為廢氣從陽極區(qū)4排出并在經(jīng)使用的空氣側(cè)進(jìn)入置換裝置12和在這里進(jìn)入催化材料13的區(qū)域內(nèi)?，F(xiàn)在如圖1的實(shí)施例中那樣，利用那里已經(jīng)提到的所有選擇方案進(jìn)行氫的可比較的轉(zhuǎn)換。最后還要強(qiáng)調(diào)的是，根據(jù)圖2的設(shè)置的燃料電池系統(tǒng)1可以具有其他公知和常見的部件。例如在這里需要重新提及環(huán)繞置換裝置12的旁路，該旁路可以上述結(jié)構(gòu)類似的方式使用。此外在置換裝置12與渦輪16之間的區(qū)域內(nèi)的排放空氣流中可以具有脫水器，以防止液滴進(jìn)入渦輪16的區(qū)域內(nèi)而可能地?fù)p壞其部件。在其他方面，兩種實(shí)施例不言而喻可以通過將所介紹的燃料電池系統(tǒng)的部件簡單互換而彼此組合。例如可以設(shè)想具有渦輪16 的結(jié)構(gòu)與再循環(huán)管路9的結(jié)構(gòu)相組合。同樣可以設(shè)想在燃料電池系統(tǒng)1內(nèi)，如通過圖2所示那樣，取消渦輪16。
權(quán)利要求
1.一種包括至少一個(gè)燃料電池的燃料電池系統(tǒng)(1)，該燃料電池包括陰極區(qū)和陽極區(qū)，所述燃料電池系統(tǒng)具有置換裝置，該置換裝置在一方面被向所述陰極區(qū)流動(dòng)的進(jìn)氣空氣流通過以及在另一方面被從所述陰極區(qū)釋放的經(jīng)使用的空氣流通過，以及在所述置換裝置內(nèi)，熱從所述進(jìn)氣空氣流傳遞到所述經(jīng)使用的空氣流并且同時(shí)水蒸汽從所述經(jīng)使用空氣流傳遞到所述進(jìn)氣空氣流，所述燃料電池系統(tǒng)具有壓縮機(jī)，渦輪至少以支持方式驅(qū)動(dòng)所述壓縮機(jī)，所述渦輪被在所述置換裝置下游的所述經(jīng)使用的空氣通過，以及所述燃料電池系統(tǒng)具有在所述渦輪上游的催化材料，向該催化材料輸送含有燃料的氣體，其特征在于，所述催化材料(π)在所述經(jīng)使用的空氣側(cè)與所述置換裝置(1 集成，其中，來自陽極區(qū)(4)的廢氣被輸送到所述置換裝置(1 的所述經(jīng)使用的空氣側(cè)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，向所述置換裝置(12)輸送附加的燃料，特別是氫，作為含有燃料的氣體。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，所述催化材料(13)被以涂層的形式引入所述置換裝置的所述經(jīng)使用的空氣側(cè)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1到3中任一項(xiàng)所述的燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，所述置換裝置 (12)至少部分地具有蜂窩狀結(jié)構(gòu)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1到4中任一項(xiàng)所述的燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，所述置換裝置 (12)基本上被逆流通過，其中，所述催化材料(1 優(yōu)選被設(shè)置在所述經(jīng)使用的空氣側(cè)的這樣的區(qū)域中，在該區(qū)域中所述經(jīng)使用的空氣從所述置換裝置(1 流出以及所述進(jìn)氣空氣流入所述置換裝置(12)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1到5中任一項(xiàng)所述的燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，所述陽極區(qū)(4)被氫或含氫氣體通過，其中，所述陽極區(qū)的輸出端被連接到所述置換裝置(1 的在所述經(jīng)使用的空氣側(cè)的輸入端。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，所述陽極區(qū)(4)由多個(gè)串聯(lián)連接的段組成，沿所述陽極區(qū)(4)中的氫或含氫氣體的流動(dòng)方向，每個(gè)段的有效面積小于前面的段的有效面積。
8.根據(jù)權(quán)利要求1到5中任一項(xiàng)所述的燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，所述陽極區(qū)(4)被氫通過，其中，所述陽極區(qū)的輸出端通過再循環(huán)管路(9)和輸送裝置(10)與所述陽極區(qū)的輸入端連接，其中，所述再循環(huán)管路(9)通過能夠開關(guān)的閥門裝置(11)與所述置換裝置(1 的在所述經(jīng)使用的空氣側(cè)的輸入端連接。
9.根據(jù)權(quán)利要求5到8中任一項(xiàng)所述的燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，熱屏蔽具有所述催化材料(1 的區(qū)域與所述置換裝置(1 的進(jìn)氣空氣側(cè)。
10.根據(jù)權(quán)利要求1到9中任一項(xiàng)所述的燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，所述壓縮機(jī)(6) 由電機(jī)(17)驅(qū)動(dòng)，其中，在所述渦輪(16)上功率過剩的情況下，所述渦輪(16)驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)模式的所述電機(jī)(17)以產(chǎn)生電力。
11.根據(jù)權(quán)利要求1到10中任一項(xiàng)所述的裝置的用途，其特征在于，所述裝置被用于運(yùn)輸裝置中以產(chǎn)生用于驅(qū)動(dòng)所述運(yùn)輸裝置和/或用于所述運(yùn)輸裝置的輔助耗電器的電力。
全文摘要
一種燃料電池系統(tǒng)(1)包括至少一個(gè)燃料電池(2)，該燃料電池包括陰極區(qū)(3)和陽極區(qū)(4)。燃料電池系統(tǒng)(1)還具有置換裝置(12)，該置換裝置一方面被向陰極區(qū)(3)流動(dòng)的進(jìn)氣空氣流通過以及另一方面被從陰極區(qū)(3)釋放的經(jīng)使用的空氣通過。在置換裝置(12)內(nèi)，熱從進(jìn)氣空氣流傳遞到經(jīng)使用的空氣流并同時(shí)水蒸汽從經(jīng)使用的空氣流傳遞到進(jìn)氣空氣流。燃料電池系統(tǒng)(1)還具有壓縮機(jī)(6)，通過渦輪(16)至少以支持方式驅(qū)動(dòng)該壓縮機(jī)。渦輪(16)被設(shè)置在置換裝置(12)的下游并由經(jīng)使用的空氣通過。此外，在渦輪(16)的上游設(shè)置催化材料，向該催化材料輸送含有燃料的氣體。根據(jù)本發(fā)明，催化材料(13)在經(jīng)使用的空氣側(cè)與置換裝置(12)集成，其中，向置換裝置(12)的經(jīng)使用的空氣側(cè)輸送來自陽極區(qū)(4)的廢氣。
文檔編號(hào)H01M8/04GK102318118SQ201080008001
公開日2012年1月11日 申請(qǐng)日期2010年1月27日 優(yōu)先權(quán)日2009年2月19日
發(fā)明者F·施特克, G·康拉德 申請(qǐng)人:戴姆勒股份公司