專利名稱：包括至少一個燃料電池的燃料電池系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明涉及一種根據(jù)在權(quán)利要求1的前序部分中詳細定義的類型的包括至少一個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。這種在該文獻中稱為功能單元的置換裝置允許從燃料電池的經(jīng)使用的空氣向到燃料電池的進氣空氣(intake air)的材料流動，而同時發(fā)生從由壓縮裝置加熱的進氣空氣到比較涼的排放空氣的熱交換。另一種現(xiàn)有技術(shù)參見DE 10115336A1。該文獻也示出一種燃料電池系統(tǒng)，盡管不具有與上述文獻的功能單元或置換裝置可比較地形成的裝置。但DE 10115336A1關(guān)注的是在循環(huán)引導陽極廢氣時必須隨時從陽極回路(cycle)的區(qū)域排出的含氫廢氣的處理。該文獻對此提出，含氫氣體輸送到向燃料電池的陰極區(qū)的進氣空氣的區(qū)域內(nèi)，從而該氣體與進氣空氣的氧在催化劑處(特別是在陰極的區(qū)域內(nèi)在任何情況下存在的催化劑處)產(chǎn)生反應。來自燃料電池陽極區(qū)的含氫廢氣的這種劑量在反應期間形成的溫度方面對到燃料電池的陰極區(qū)的進氣空氣的處理產(chǎn)生不利影響。此外，如果允許在電池自身處的催化劑的區(qū)域內(nèi)進行反應，那么由此使燃料電池更快老化。因此該結(jié)構(gòu)的缺點是，它在其使用上極為受限，特別是為了不讓上述缺點加劇的在含氫廢氣可轉(zhuǎn)換的量方面同樣極為受限。該使用因此伴有重大缺點，由于為將缺點降到最低限度而限制含氫的廢氣的量，該使用被限制到以用于具有陽極再循環(huán)回路的結(jié)構(gòu)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于，對燃料電池系統(tǒng)進行如下改進，使得可以轉(zhuǎn)換含氫廢氣，因此在燃料電池系統(tǒng)內(nèi)其可被有利地使用，并避免上述缺點。該目的根據(jù)本發(fā)明通過權(quán)利要求1所述的特征得以實現(xiàn)。通過將催化材料設置在置換裝置的進氣空氣側(cè)，來自陽極區(qū)的廢氣在置換裝置內(nèi)被轉(zhuǎn)換。這樣做的優(yōu)點是，置換裝置內(nèi)可以裝入特殊的催化劑，由此消除在陰極區(qū)內(nèi)的氫和氧的反應。因此可以避免對燃料電池老化的不利影響。此外，在置換裝置內(nèi)對到燃料電池的陰極區(qū)的進氣空氣進行處理。因此從陽極區(qū)的廢氣向置換裝置的輸送對從該置換裝置向燃料電池的陰極區(qū)流動的進氣空氣沒有影響或沒有不可校正的影響。在催化材料的區(qū)域內(nèi)， 進氣空氣的溫度雖然有所提高，但因為進氣空氣在向陰極區(qū)繼續(xù)流動之前首先在置換裝置的區(qū)域內(nèi)被冷卻，所以這對進氣空氣沒有不利影響。確切地說，熱將加熱冷卻進氣空氣的經(jīng)使用的空氣流。這是一個主要優(yōu)點，例如，對于在來自經(jīng)使用的空氣流的熱被以不同的方式使用的情況下，或在需要防止液態(tài)水隨同經(jīng)使用的空氣流從燃料電池系統(tǒng)排出的情況下。此外，在含氫廢氣在置換裝置的催化材料區(qū)域內(nèi)轉(zhuǎn)換時產(chǎn)生一定量的水或水蒸汽。該水蒸汽與通過置換裝置從經(jīng)使用的空氣流傳遞到進氣空氣流上的水蒸汽共同用于燃料電池或這種燃料電池內(nèi)典型使用的聚合物電解質(zhì)膜片(PE膜片)的加濕，該膜片將陰極區(qū)與陽極區(qū)分開并以本身公知的方式提供燃料電池的功能。在根據(jù)本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)一種特別有益的設置中，由此，來自陽極區(qū)廢氣的輸送以受控和/或受調(diào)節(jié)的方式進行。特別是在使用具有陽極廢氣再循環(huán)的燃料電池系統(tǒng)時，從陽極區(qū)向置換裝置的進氣空氣側(cè)的廢氣的輸送在時間上和/或量在一定限制內(nèi)可以被控制或被調(diào)節(jié)。因此，在例如沒有足夠的經(jīng)使用的空氣流可供用于冷卻產(chǎn)生的熱的不利時間點上，可以延遲向置換裝置的廢氣輸送。這樣可以避免不利的操作狀態(tài)并可以實現(xiàn)燃料電池系統(tǒng)得到改進的操作引導。在根據(jù)本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)另一種特別有益的設置中，可以向置換裝置的進氣空氣側(cè)輸送燃料，特別是氫。通過可選的燃料，特別是燃料電池系統(tǒng)中本來就存在的氫的這種輸送，可以實現(xiàn)燃料電池系統(tǒng)的進一步的靈活性。進一步的燃料向該置換裝置的進氣空氣側(cè)區(qū)域中的輸送，以及由此的向催化材料區(qū)域中的輸送，在需要更高加濕量的情況下可以始終進行，因為所輸送的燃料與氧反應而生成水蒸氣。此外，這種可選的輸送在經(jīng)使用的空氣流內(nèi)需要更大熱量的情況下進行，例如在利用廢熱時或為蒸發(fā)經(jīng)使用的空氣流中更大量的液態(tài)水，這種水不應以液體形式從系統(tǒng)排出。在根據(jù)本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)一種特別有益和有利的進一步發(fā)展中，進氣空氣通過在置換裝置上游設置的壓縮機輸送，其中，渦輪至少以支持模式(supporting manner)驅(qū)動壓縮機，該渦輪由置換裝置下游的經(jīng)使用的空氣通過。具有以內(nèi)燃機上常見的渦輪增壓器的形式而至少以支持方式驅(qū)動壓縮機的渦輪的這種結(jié)構(gòu)，允許經(jīng)使用的空氣流中的廢熱與殘余的壓力能被利用。如果通過根據(jù)本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，將附加的熱引入經(jīng)使用的空氣流內(nèi)，那么這種附加的熱在渦輪內(nèi)被重新轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能，從而燃料電池系統(tǒng)總體上具有更少的寄生能耗，并因此允許更高的效率。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)，在具有可實現(xiàn)的使用壽命和效率的理想設置的情況下，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輸(transport)裝置中使用，并在這里適用于產(chǎn)生驅(qū)動運輸裝置和/或運輸裝置內(nèi)的輔助耗電器的電力。由此，在本發(fā)明的意義上，運輸裝置是指任何類型的陸地、水上或空中的運輸裝置，其中，特別關(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。


根據(jù)本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)的其他有利設置來自其他從屬權(quán)利要求，并將通過下面參照附圖詳細說明的實施例而顯而易見，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)另一可選的實施方式。
具體實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)明的相當復雜的燃料電池系統(tǒng)所需的部件。由此對于該燃料電池系統(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)建的單個電池的疊層。在燃料電池內(nèi)形成有陰極區(qū)3和陽極區(qū)4，這里示出的實施例中這些區(qū)域通過PE膜片5相互隔開。在圖1所示的示例實施例中，通過壓縮機6向陰極區(qū)3 輸送進氣空氣流。壓縮機6由此例如可以被設計為螺旋壓縮機或流式壓縮機，正如在燃料電池系統(tǒng)中常見的那樣。基本上，也可以設想用于壓縮所輸送的空氣流的其他可能性，例如通過活塞機等等。向陰極區(qū)3輸送的進氣空氣流在燃料電池2內(nèi)與輸送到陽極區(qū)4的氫反應成水，由此釋放電力。燃料電池2的這種公知原理對于本發(fā)明來說僅具有次要作用，因此無需贅述。在這里所示的實施例中，為陽極區(qū)4輸送來自氫儲存裝置7，例如壓縮氣體儲存器和/或混合儲存器的氫。原則上也可以設想供給燃料電池2以含氫的氣體，該氣體例如由燃料電池系統(tǒng)區(qū)域中的含碳氫化合物(hydrocarbon)初始材料產(chǎn)生。在圖1的示例性實施例中，來自氫儲存裝置7的氫通過在這里僅示意示出的計量裝置8導入陽極區(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，其由來自氫儲存裝置7的新鮮氫驅(qū)動。作為再循環(huán)輸送裝置10，也可以可選地設想再循環(huán)風機。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，公知在再循環(huán)管路9的區(qū)域內(nèi)隨著時間聚集的惰性氣體例如氮，會穿過PE膜片5從陰極區(qū)3進入陽極區(qū)4內(nèi)。此外，為在陽極區(qū)4內(nèi)進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)的廢氣需要隨時排出。為此在根據(jù)圖1的示例實施例中具有排放閥 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6向陰極區(qū)3流動的進氣空氣通過對進氣空氣進行處理的置換裝置12。典型的是，在壓縮機6之后的進氣空氣具有比較高的溫度。因為燃料電池2和特別地燃料電池2的PE膜片5對過高的溫度和過干的氣體反應非常靈敏，所以進氣空氣在置換裝置12內(nèi)被相應冷卻和加濕。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。置換裝置12這樣構(gòu)成，其將進氣空氣和經(jīng)使用的空氣的兩個材料流基本上彼此分開。這一點例如可以由此進行，即一個材料流通過空心纖維流動，而另一個材料流則環(huán)繞空心纖維流動。 此外可以設想，置換裝置12以板式反應器的方式構(gòu)成，其中兩個材料流通過平板或膜片彼此分開。事實證明特別有益的是，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。通過蜂窩體的相應設置，可以達到進氣空氣流和經(jīng)使用的空氣流在蜂窩體不同的相鄰通道內(nèi)流動的目的。在此方面，原則上可以設想任何類型的通過，例如兩個材料流的并流(co-current flow)導引或橫流(cross flow)導引。但事實證明特別適用的是，材料流以逆流或以具有高逆流部分的流動導引而通過置換裝置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。通過逆流導引，達到最冷的經(jīng)使用的空氣流與進氣空氣流的已經(jīng)得到最強冷卻的部分的導熱接觸， 而已經(jīng)相當強加熱的經(jīng)使用的空氣流則冷卻流入置換裝置12內(nèi)時還非常熱的進氣空氣流。由此達到非常好的冷卻進氣空氣流的目的。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入到會流到陰極區(qū)3的非常干燥的進氣空氣流中，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。由此進氣空氣流相應加濕，這樣對燃料電池 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。在這里的示例實施例中，除了根據(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氣空氣中的氧進行反應。 氫在此方面來自環(huán)繞燃料電池2的陽極區(qū)4的再循環(huán)管路9。氫正如已經(jīng)提到的那樣，隨時通過排放閥11排出。這種也稱為凈化氣體(purge gas)的含氫廢氣在進氣空氣側(cè)進入置換裝置12。廢氣或廢氣內(nèi)所含的氫在催化材料13的區(qū)域內(nèi)與進氣空氣中的一部分氧進行反應。在此方面產(chǎn)生熱和水蒸汽形式的水。水蒸汽在這里特別具有優(yōu)點，因為它支持燃料電池2的進氣空氣流的加濕并因此陰極區(qū)3的加濕。產(chǎn)生的熱在進氣空氣的區(qū)域內(nèi)是不希望的。但通過置換裝置12的結(jié)構(gòu)，這種熱可以直接傳遞到來自燃料電池2的陰極區(qū)3的經(jīng)使用的空氣流并相對于置換裝置12提高其溫度，而無需催化材料和附加輸送來自陽極區(qū)4 的廢氣。但在向環(huán)境排放經(jīng)使用的空氣時，這一點不是缺點，因為在這里本來就希望比較熱的經(jīng)使用的空氣，以便將經(jīng)使用的空氣流內(nèi)始終還含有的水蒸汽形式的水排放到環(huán)境并因此防止液態(tài)水隨經(jīng)使用的空氣共同排出。催化材料13例如可以活性催化散料(part)的形式引入到置換裝置12內(nèi)的進氣空氣側(cè)。但特別有益的是，置換裝置12在其進氣空氣側(cè)的區(qū)域內(nèi)涂敷有催化材料13。在此方面原則上可以設想，置換裝置12的整個進氣空氣側(cè)的表面被涂敷有催化材料13，在此方面僅需注意，具有催化材料的涂層不妨礙從經(jīng)使用的空氣向進氣空氣傳遞水蒸汽。但這一點通過具有催化材料13的涂層的對應孔尺寸等等達到。但作為備選，催化材料13也可以僅設置在置換裝置12的進氣空氣側(cè)的區(qū)域內(nèi)，也就是進氣空氣從壓縮機6流入置換裝置 12的區(qū)域內(nèi)。該區(qū)域在此方面是指置換裝置12的進氣空氣側(cè)的某個段，例如置換裝置12 置換表面的約1/8到1/4。在這種結(jié)構(gòu)中可以設想，在催化材料13的區(qū)域內(nèi)可以取消兩個流之間的材料交換。置換表面的其余區(qū)域足以將相應大量的水蒸氣從經(jīng)使用的空氣傳遞到進氣空氣。具有催化材料13的區(qū)域然后僅用于催化反應陽極區(qū)4的廢氣內(nèi)存在的氫以及將由此產(chǎn)生的熱傳遞到從置換裝置12流出的經(jīng)使用的空氣流。附加地，可以在進氣空氣側(cè)向置換裝置12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，這一點特別可以是氫。但也可以設想輸送碳氫化合物等等，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的這里所示的實施例中，從氫儲存裝置7的區(qū)域通過計量裝置14以及相應的管路件15進行。可選的氫也可以像來自陽極區(qū)4的廢氣那樣，被引入到置換裝置12前面的進氣空氣的輸入管路內(nèi)，正如通過圖1原則上表示的那樣。備選地，還可以設想，廢氣和/或氫直接被引入到置換裝置 12內(nèi)，在這里特別地，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)生附加的水蒸汽。這種附加的水蒸汽可以在確定的操作狀態(tài)下使用，以改善進氣空氣流的加濕，并因此預防燃料電池2的PE膜片干燥。作為對此的備選，也可以可選地附加輸送氫來相應影響在置換裝置12內(nèi)產(chǎn)生的熱，從而例如在特定情況下以限定的方式加熱經(jīng)使用的空氣，以便相應利用其里面存在的廢熱和/或避免液態(tài)水隨同經(jīng)使用的空氣流排出。根據(jù)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的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置在進氣空氣側(cè)，也可以設置在經(jīng)使用的空氣側(cè)。旁路會允許一部分材料流環(huán)繞置換裝置12引導，以便在需要時在進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。但因為這種旁路在加濕器方面的現(xiàn)有技術(shù)中公知，所以對此不再贅述。圖2現(xiàn)在示出燃料電池系統(tǒng)1的一種可選的實施例。相同的部件在此方面具有相同的附圖符號并具有與圖1中的類似部件可對比的功能。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 相比基本上具有兩個區(qū)別。第一區(qū)別在于，陽極區(qū)4的廢氣不進行循環(huán)，而是該廢氣在進氣空氣側(cè)直接進入置換裝置12內(nèi)。燃料電池2在圖2的實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行轉(zhuǎn)換，而無需提供未被利用的有效面積。在使用這種級聯(lián)化的陽極區(qū)4方面，在從氫儲存裝置7供給燃料電池2純氫時，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排出并在進氣空氣側(cè)進入置換裝置12和在這里進入催化材料13的區(qū)域內(nèi)?，F(xiàn)在如圖1的實施例中那樣，利用那里已經(jīng)提到的所有選擇方案進行氫的可比較的轉(zhuǎn)換。圖2的燃料電池系統(tǒng)1的第二區(qū)別在于，經(jīng)使用的空氣通過置換裝置12后面的渦輪16并與此同時將其所含有的壓力能以及特別是這里所含有的廢熱大部分輸送到渦輪 16。渦輪16在此方面直接或間接與壓縮機6耦合，從而渦輪16內(nèi)出現(xiàn)的能量可以用于驅(qū)動壓縮機6。因為大多數(shù)的操作狀態(tài)下通過渦輪16提供的能量不足以操作壓縮機6，所以該壓縮機附加與電機17耦合。通過該電機17可以附加為壓縮機6提供驅(qū)動能。如果在確定的操作狀態(tài)下于渦輪16內(nèi)出現(xiàn)功率過剩，那么渦輪16不僅可以驅(qū)動壓縮機16，而且在這種情況下還可以驅(qū)動作為發(fā)電機的電機17。然后由電機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)使用或儲存。所謂電動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。一個特定的優(yōu)點現(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時的加熱，可利用這種結(jié)構(gòu)加以有利地使用，因為傳遞到經(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)換成機械能。圖2燃料電池系統(tǒng)1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)生的廢熱而對其進行有益的應用。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)原因的殘余氫的量由此不再受到限制。雖然適當盡可能多的氫在燃料電池2內(nèi)轉(zhuǎn)換，但圖2燃料電池系統(tǒng)1的結(jié)構(gòu)允許需要時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)進行轉(zhuǎn)換。這樣完全可以首先取消陽極再循環(huán)。通過上面已經(jīng)提到的通過計量裝置14和管路件15可選地添加燃料，現(xiàn)在也可以借助催化材料13的區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生的廢熱進行渦輪16的限定的操作。在確定的操作情況下，將附加的氫加入置換裝置12的催化材料13區(qū)域內(nèi)是非常有意義的，不僅是出于加濕的原因，而且也是出于渦輪16所需的經(jīng)使用的空氣流內(nèi)的廢熱的原因。這種情況的實例為，燃料電池2的所要求的功率突然增高，造成壓縮機6的功率相應增高。在這種情況下，通過經(jīng)使用的空氣流內(nèi)廢熱量的增高，在渦輪 16上提供更大的功率，其至少有助于滿足在這種情況下壓縮機6的功率要求。同時置換裝置的區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生改善加濕的附加氫，而且完全是在燃料電池輸出峰值功率的情況下，而已經(jīng)沒有相應大量的濕經(jīng)使用的空氣可供加濕進氣空氣使用。 最后還要強調(diào)的是，根據(jù)圖2的設置的燃料電池系統(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)的經(jīng)使用的空氣流中可以具有脫水器， 以防止液滴進入渦輪16的區(qū)域內(nèi)而可能地損壞其部件。在其他方面，兩種實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燃料電池的燃料電池系統(tǒng)，所述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，所述置換裝置在一方面被向所述陰極區(qū)流動的進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)，熱從所述進氣空氣流傳遞到所述經(jīng)使用的空氣流并且同時水蒸汽從所述經(jīng)使用的空氣流傳遞到所述進氣空氣流，其特征在于，所述置換裝置(12)的在進氣空氣側(cè)的至少一部分具有催化材料(13)，以及向所述置換裝置(12)的所述進氣空氣側(cè)輸送來自所述陽極區(qū)⑷ 的廢氣。
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，來自所述陽極區(qū)(4)的廢氣被以受控和/或受調(diào)節(jié)的方式輸送。
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，在所述進氣空氣側(cè)向所述置換裝置(1 輸送燃料，特別地，氫。
4.根據(jù)權(quán)利要求1、2或3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到所述置換裝置(1 的進氣空氣側(cè)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1到4中任一項所述的燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，所述置換裝置 (12)至少部分具有蜂窩狀結(jié)構(gòu)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1到5中任一項所述的燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，所述置換裝置 (12)基本上被以逆流方式通過，其中，所述催化材料(1 優(yōu)選被設置在這樣的區(qū)域中，在所述區(qū)域中所述進氣空氣和所述廢氣流到所述置換裝置(1 中以及所述經(jīng)使用的空氣從所述置換裝置(1 流出。
7.根據(jù)權(quán)利要求1到6中任一項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 的在進氣空氣側(cè)的輸入端。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，所述陽極區(qū)(4)由多個串聯(lián)連接的段組成，沿所述陽極區(qū)中的氫或含氫氣體的流動方向，每個段的有效面積小于前面的段的有效面積。
9.根據(jù)權(quán)利要求1到6中任一項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)(4)的輸出端通過再循環(huán)管路(9)和輸送裝置(10)與陽極區(qū) (4)的輸入端連接，其中，所述再循環(huán)管路(9)通過可開關(guān)的閥門裝置(11)與所述置換裝置 (12)的進氣空氣側(cè)的輸入端連接。
10.根據(jù)權(quán)利要求1到9中任一項所述的燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，通過設置在所述置換裝置(1 上游的壓縮機(6)輸送所述進氣空氣，其中，渦輪(16)至少以支持方式驅(qū)動所述壓縮機(6)，該渦輪由所述置換裝置(1 下游的所述經(jīng)使用的空氣通過。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，所述壓縮機(6)由電機(17) 驅(qū)動，其中，在所述渦輪(16)上功率過剩的情況下，所述渦輪(16)驅(qū)動處于發(fā)電機模式的電機(17)以產(chǎn)生電力。
12.根據(jù)權(quán)利要求1到11中任一項所述的裝置的用途，其特征在于，所述裝置被用于運輸裝置中以產(chǎn)生用于驅(qū)動所述運輸裝置和/或用于所述運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)還包括置換裝置(12)，該置換裝置一方面被向陰極區(qū)(3)流動的進氣空氣流通過以及另一方面被從陰極區(qū)(3)釋放的經(jīng)使用的空氣流通過。在置換裝置(12)內(nèi)，熱從進氣空氣流傳遞到經(jīng)使用的空氣流并且同時水蒸汽從經(jīng)使用的空氣流傳遞到進氣空氣流。依據(jù)本發(fā)明，置換裝置(12)在進氣空氣側(cè)的至少一部分具有催化材料(13)。此外，向置換裝置(12)的進氣空氣側(cè)輸送來自陽極區(qū)(4)的廢氣。
文檔編號H01M8/04GK102318119SQ201080008004
公開日2012年1月11日 申請日期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 申請人:戴姆勒股份公司