燃料电池系统技术方案

本发明专利技术涉及一种燃料电池系统(2)，其具有至少一个燃料电池堆(3)，所述燃料电池堆设于壳体(7)中，其中，所述壳体(7)具有至少一个通往周围环境或另一容积的通风连接部(8、9)。本发明专利技术的特征在于，所述通风连接部(8、9)具有阀装置(18、19)。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及一种如权利要求1前序部分所详细定义的类型的、具有至少一个燃料电池堆的燃料电池系统。此外，本专利技术涉及一种切断该燃料电池系统的方法以及该燃料电池系统的应用。
技术介绍
燃料电池系统是普遍已知的现有技术。燃料电池系统一般具有所谓的燃料电池堆，燃料电池堆由单电池堆叠而成。其中，每个单电池均具有阳极区、阴极区和冷却液区域。单个燃料电池彼此堆叠形成燃料电池堆，该燃料电池堆提供通过单电池的常规串联而定义的电压。其中，单电池中的阴极区、阳极区和冷却水区域借助密封件被相对彼此密封且相对于燃料电池堆的周围环境被密封。其中，整个燃料电池堆中的密封件较长，因此，当燃料电池堆达到高达100kW的功率等级时，阳极侧形成200m至300m的密封长度，阴极侧也形成完全一样的密封长度。在此问题在于，特别是氢气较易穿过通常所用的密封材料而扩散。因此，燃料电池堆一般被设置在壳体中，该壳体为燃料电池堆提供机械保护并将通过扩散以及因密封缺陷而逸出的少量氢气收集起来排出。例如，空气流可以通过通风管道穿流过壳体以排出逸出的氢气，借此避免在燃料电池系统的周围环境中形成安全临界的/威胁安全的氢气浓度。例如由DE102009036198A1已知，燃料电池的一个问题是，退化机制会对PEM燃料电池堆的使用寿命产生不良影响。在此核心问题在于，启动燃料电池时，燃料电池的阳极区存在氧气，并且在电启动期间，氢气被引入。其中，氢-氧复合前沿在阳极催化剂上行进，并且浓度差导致燃料电池堆的输入侧与输出侧之间产生电位差。其间所发生的电化学过程首先会持久损伤阴极侧催化剂，并且有可能对阳极侧催化剂造成程度较低的损伤。为了应对这些问题，上述文献中描述了一种结构，该结构借助系统旁路阀大幅减少停运期间(即燃料电池系统被切断期间)阴极侧的氧气侵入。氧气侵入的起因在于燃料电池系统输入端与输出端之间的压力差，以车辆为例，这样的压力差是由风力影响或热对流效应引起的。这种具有系统旁路的结构极其简单有效。此外，现有技术中的上述文献还提及了DE102007059999A1。该文献在通往阴极室的送风管道和排风管道中使用关断阀以代替系统旁路阀，借此防止新鲜氧气侵入燃料电池，进而在使用寿命方面取得有益效果。然而上述两种方法也存在以下问题，即，氢气不仅从阳极室扩散到阴极室中，还从阳极室且稍后有可能从阴极室扩散到燃料电池堆周围的壳体中。其原因在于：燃料电池堆中的密封长度较大，并且密封材料或多或少地可被气体、优先可被氢气、但也可被空气组分和水蒸气扩散渗透。因此，在切断操作之后位于阳极室中的氢气首先通过扩散而挥发。接着，余下的氢气通过空气氧的侵入以及在电极催化剂上的复合而消减。氧气可以通过两条路径侵入燃料电池堆。其一，氧气可以经由一般情况下打开着的供风通道通过通风/抽风或扩散而侵入。或者，氧气可以通过密封扩散(Dichtungsdiffusion)经由一般情况下朝大气敞开的壳体侵入燃料电池堆。一旦氧气挤掉阳极上的氢气，系统重启时就会产生破坏性影响。由作为其他现有技术的DE102009018105A1进一步已知，在燃料电池堆中，燃料电池堆周围的燃料电池壳体被构建为供氢管道或排氢管道的一部分。因此，从燃料电池堆扩散出来的氢气在燃料电池系统工作期间再度进入氢气循环，因而首先不会丢失，其次不会与来自周围环境的空气形成安全临界的爆炸性混合物。这一结构的缺点在于，壳体以较大的壁面暴露在氢气工作压力下。
技术实现思路
本专利技术的目的是，避免上述缺点并提供一种燃料电池系统和一种切断该燃料电池系统的方法，这种燃料电池系统的结构非常简单且能使燃料电池堆具有较长的使用寿命。本专利技术用以达成该目的的解决方案为一种具有权利要求1特征部分所述特征的燃料电池系统。有益的技术方案和改进方案包含于相关从属权利要求中。另外，上述目的还通过一种具有权利要求7特征部分所述特征的方法而达成。相关的有益改进方案同样包含于从属权利要求中。最后，权利要求10给出所述燃料电池系统的一种特别优选的应用。在本专利技术的燃料电池系统中，壳体以已知方式设于燃料电池堆周围。其中，壳体具有至少一个通往周围环境或另一容积的通风连接部。所述至少一个通风连接部(通常为两个通风连接部)确保：有可能在工作期间从燃料电池堆逸出的氢气被排出且可被无害化。壳体通风的另一项功能一般地是：以干燥方式除去通过扩散和可能存在的小泄漏点而从燃料电池堆逸出的水蒸气。但对于本专利技术而言，这并不重要。此外，根据本专利技术，所述至少一个通风连接部具有阀装置。在安装有通风进入管道和通风排出管道的情况下，本专利技术提出，至少一个管道具有阀装置，优选两个管道均具有阀装置。借助这样一个阀装置，例如电磁阀、活门或类似之物，可在需要时紧密封闭壳体。由此产生决定性的优点。切断燃料电池系统时，氢气将优先从阳极室扩散到阴极室上或者通过较小的膜泄漏点或密封泄漏点而逸出。如果阴极室中还存在氧气，只要切断时阳极室中被提供/送入足量氢气，阴极催化剂上就会发生反应，直到氧气被耗尽为止。当阳极和阴极上的氢气分压达到平衡时，氢气的扩散停止。此外，或多或少地并行发生以下情况，即，氢气先从阳极室再从阴极室扩散到燃料电池堆的周围环境中，进而扩散到壳体中。在此情况下，壳体内部同样产生一定的氢气浓度。一旦壳体与燃料电池堆内部之间不再存在浓度梯度，这个以切断燃料电池系统时阳极室中存在足量氢气为前提条件的过程也就结束了。现在，燃料电池堆内部和壳体中均存在氢气氛。而后可顺利地重新启动燃料电池系统，而其间不会产生有损于使用寿命的退化效应。在本专利技术的燃料电池系统的另一非常有益的技术方案中，可进一步提出，所述壳体由至少两个壳体部件组成，在所述壳体部件之间设有一个或多个壳体密封件。其中进一步提出，所述壳体密封件的长度远小于所述燃料电池堆中的密封件的总长。通过这个优选100倍以上、特别优选300倍以上的密封长度差，确保壳体与周围环境之间的密封长度远小于燃料电池堆内部与壳体之间的密封长度。仅通过这个密封长度差就能基本上防止氢气从壳体中扩散出来以及空气再扩散到壳体中，因为可用于此的密封长度远小于燃料电池堆自身的密封长度。此外，在特别有益的改进方案中，所述壳体密封件可用扩散抑制性能特别好的材料制成，与设计燃料电池堆相比，这在设计壳体时实现起来容易得多。但这并非是必需的，因为通过壳体密封件与燃料电池堆的密封件之间的长度差就已经取得主要效果。此外，本专利技术的燃料电池系统的另一技术方案提出，所述壳体设有阀件，所述阀件在相应超过相对于大气的压力差(负压和/或过压)时相应打开，以便限制所述压力差。在需要使用机械稳定性较差的、高度节省重量和空间的壳体的情况下，这样的装置可能是有意义的。但其前提是，上述压力差小于或远小于0.1bar，并且可以酌情弃用这样的阀件，或者说仅需确保一个压力方向。在本专利技术的燃料电池系统的有益改进方案中，可进一步提出，在所述壳体中设有用于使氢气特别是与氧气发生反应的催化复合装置。这样的复合装置特别可用来使氢气与氧气在壳体中在合适的催化剂上发生反应。在本专利技术针对燃料电池系统停运的情形在此所选择的具有相对于周围环境可被密封的壳体的实施例中，所述复合装置具有决定性优势，即，从阳极室进入壳体的氢气将氧气耗尽，从而避免形成临界/危险的氢氧混合物，并且在经本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种燃料电池系统(2)，具有至少一个燃料电池堆(3)，所述燃料电池堆设于壳体(7)中，其中，所述壳体(7)具有至少一个通往周围环境或另一容积的通风连接部(8、9)，其特征在于，所述通风连接部(8、9)具有阀装置(18、19)。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种燃料电池系统(2)，具有至少一个燃料电池堆(3)，所述燃料电池堆设于壳体(7)中，其中，所述壳体(7)具有至少一个通往周围环境或另一容积的通风连接部(8、9)，其特征在于，所述通风连接部(8、9)具有阀装置(18、19)。2.根据权利要求1所述的燃料电池系统(2)，其特征在于，所述壳体(7)由至少两个壳体部件(7.1、7.2)组成，在所述壳体部件之间设有壳体密封件，其中，所述壳体密封件的长度比所述燃料电池堆(3)中的多个密封件的总长小得多，优选小100倍以上，特别优选小300倍以上。3.根据权利要求1或2所述的燃料电池系统(2)，其特征在于，所述壳体(7)通过至少一个根据压力而打开和/或关闭的阀(21)与周围环境或补偿容积相连接。4.根据权利要求1、2或3所述的燃料电池系统(2)，其特征在于，在所述壳体(7)中设有用于将氧气和氢气转变成水的催化复合装置(20)。5.根据权利要求1至4中任一项所述的燃料电池系统(2)，其特征在于，所述燃料电池堆(3)的阴极室(5)设有送风管道和排风管道，其中，所述送风管道和/或所述排风管道分别能借助...

【专利技术属性】
技术研发人员：G·伯姆，
申请(专利权)人：戴姆勒股份公司，
类型：发明
国别省市：德国;DE