借助产物水的蒸发/冷凝在燃料电池系统的阴极路径中的热传递技术方案

本发明专利技术涉及一种燃料电池系统(100)，具有至少一个燃料电池(101)，和阴极路径(10)，用于给所述至少一个燃料电池(101)提供呈供入空气(L1)形式的含氧反应物，其中，所述阴极路径(10)包括供气管路(11)，用于给所述至少一个燃料电池(101)提供所述供入空气(L1)，和废气管路(12)，用于将废气(L2)从所述至少一个燃料电池(101)导出，并且其中，在所述阴极路径(10)的供气管路(11)和废气管路(12)之间设置至少一个热交换器(20)，以便将热能从所述供入空气(L1)传递至所述废气(L2)。为此，根据本发明专利技术设置，所述热交换器(20)实施为通过产物水(H2O)的蒸发和冷凝以及借助所述供应空气(L1)通过所述热交换器(20)的多个流(M1，M2)将热量传递给所述废气(L2)通过所述热交换器(20)的一个流(M3)。流(M3)。流(M3)。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】借助产物水的蒸发/冷凝在燃料电池系统的阴极路径中的热传递


[0001]本专利技术涉及一种根据独立装置权利要求的前序部分所述的燃料电池系统。此外，本专利技术还涉及一种用于运行相应燃料电池系统的方法。

技术介绍

[0002]在具有燃料电池系统的驱动系统中，来自环境空气的氧气通常被用于在燃料电池中与氢气反应成水或水蒸气和从而获得电能。环境空气通常借助一个或多个压缩器从周围环境中吸入并且以压缩的供入空气形式通过阴极路径的供气管路提供给燃料电池系统。环境空气必须被压缩，以便确保足够的氧气分压用于化学反应。此外，环境空气必须被压缩，以便确保水管理(即防止燃料电池系统中的隔膜的过度除湿，因为温暖的空气在较高压力下比较低压力下吸收更少的水蒸气，并且用于导出产物水)。此外，环境空气必须被压缩，以便克服系统和部件中的压力损失以及确保在堆垛中尽可能均匀的分布。至少一个压缩器可以借助涡轮连接到阴极路径的废气管路上，以便通过耦合到压缩器轴中来利用废气流动能的一部分。如果在阴极路径中需要较高的运行压力，则这与相应地增加在空气压缩时的费事(较高的功率)相关。这导致阴极路径中的经压缩的供入空气的温度升高。在此产生的热量必须又被导出，以便在堆垛中或也在可选地存在加湿器中保持最高允许的进入温度。

技术实现思路

[0003]根据第一方面，本专利技术设置一种具有独立装置权利要求的特征、尤其来自特征部分的特征的燃料电池系统。此外，根据第二方面，本专利技术提供一种用于运行相应燃料电池系统的方法。本专利技术的另外的优点、特征和细节由从属权利要求、说明书和附图得出。在此，与根据本专利技术的燃料电池系统相关地描述的特征和细节当然也适用于根据本专利技术的方法，反之亦可，使得关于本专利技术各方面的披露始终相互参考或能够相互参考。
[0004]本专利技术设置一种燃料电池系统，具有至少一个燃料电池和一个阴极路径，该阴极路径用于给至少一个燃料电池提供呈供入空气形式的含氧反应物，其中，阴极路径具有用于给至少一个燃料电池提供供入空气的供气管路和用于从至少一个燃料电池导出废气的废气管路，并且其中，在阴极路径的供气管路和废气管路之间设置至少一个热交换器，以便将热能或热量从供入空气传递至废气，尤其间接地传递或者说在供入空气和废气之间没有物质交换地传递。为此，根据本专利技术设置，热交换器实施为通过产物水的蒸发和冷凝以及借助供入空气通过热交换器的多个流将热量传递给废气通过热交换器的一个流。供入空气和废气与热交换器中的产物水没有物质交换地被引导通过热交换器。为此设置在下面所描述的管。产物水在热交换器中通过供入空气的蒸发和废气的冷凝进行再循环。
[0005]根据本专利技术的燃料电池系统可以以具有呈单个燃料电池、优选PEM燃料电池的多个堆叠的重复单元的燃料电池堆叠、所谓的燃料电池堆垛的形式实施。
[0006]根据本专利技术的燃料电池系统可以有利地用于移动应用，例如在机动车中或用于固
定应用，例如在发电机设备中。
[0007]热交换器优选无源地并且因此不需要辅助器件，例如冷却介质泵传递热量。在本专利技术的意义上也可以省去用于将冷却介质输送至热交换器的附加的管路系统，所述冷却介质必须通借助冷却介质泵进行循环。在移动应用中，例如在机动车中，这有利地导致车辆冷却器的卸载，因为热量被耦合到废气中。
[0008]根据本专利技术的热交换器可以作为一个模块提供。此外可以考虑，根据本专利技术的热交换器可以集成到阴极路径或阴极路径的组件中，例如集成到压缩器、尤其涡轮驱动的压缩器中提供。根据本专利技术的热交换器与水喷射系统在结构组中的结构设计上的组合也可以在本专利技术的范畴内实施。
[0009]本专利技术的构思在于，借助通过热交换器的至少三个介质流(两个供入空气流和一个废气流)或多个介质流实现通过蒸发和冷凝水，优选产物水从供气管路到废气管路中的热传递。然而，介质流不与作为热交换器的工作介质的产物水接触。供入空气的至少两个或多个介质流可以尤其在供气管路中的每个压缩器级之后为了冷却目的被引导通过根据本专利技术的热交换器。供入空气的至少两个或多个介质流可以有利地借助产物水的蒸发/冷凝实现向废气介质流的共同的热传递，如果存在的话，优选在涡轮之前。在没有涡轮的系统中，热量可以在任意位置适当地耦合到废气中，以便使冷却回路卸载。
[0010]供气管路的尤其流体技术上相对于产物水封闭的多个管路区段(是指至少一个第一管和一个第二管)和废气管路的尤其流体技术上相对于产物水封闭的管路区段(是指一个第三管)穿过根据本专利技术的热交换器延伸。供气管路可以说在此形成通过热交换器的至少一个回路，其中，供气管路的两个管路区段穿过热交换器延伸。以这种方式，供入空气可以在多个部位上被引入到热交换器中，以便能够实现热量逐级地传递到废气中。在此有利地，供入空气在每个压缩器级之后被冷却。
[0011]在此，产物水可以作为热交换器的工作介质。产物水在燃料电池系统中的多个部位上可供使用并且因此可以以有利的方式借助根据本专利技术的热交换器用于热传递。产物水在此可以直接从燃料电池系统的废气路径中获得。此外，产物水可以暂存在水箱中。由此可以实现产物水获取和产物水利用在时间上的脱耦。
[0012]根据本专利技术的通过产物水的蒸发和冷凝的尤其无源的热传递，尤其在高的最终压缩温度下，即在较高的阴极压力下可以是有利的。产物水的再循环在热交换器内发生。水蒸气在热交换器内上升、冷凝并滴下。产物水的蒸发由加热的供入空气引发。通过蒸发，产物水吸收了供入空气的热量。产物水的冷凝由较冷的废气引发。通过冷凝，水蒸气将热量释放给废气。冷凝水滴下并且又聚集在热交换器的下部中并且重新可供用于蒸发。
[0013]此外，有利的是，热传递仅单向地(与在无源的气体
‑
气体热交换器的情况下不同地)进行，以避免不希望的冷凝效应。
[0014]在本专利技术的范畴内可以考虑，热交换器中的产物水液位可以被调节，以便将逸出的水蒸气通过新的产物水代替。为此，根据本专利技术的热交换器可以例如具有配量阀和/或输送泵，用于补充产物水，例如从水箱中补充。如果水箱定位在热交换器上方，还可以以简单的方式补充产物水，而不需要输送泵。因此，水可以通过高度差(没有泵，只有简单的开/关截止阀)提供到热交换器中。
[0015]此外可以考虑，根据本专利技术的热交换器可以与相同或不同类型的其它热交换器、
气体
‑
液体或气体
‑
气体热交换器结合，尤其用于导出剩余的热量。
[0016]可选地，本专利技术可以设置，热交换器可以根据需要排空到水箱中。这可以借助泵通过出口通道实现。此外可以考虑，热交换器可以抗冰压地实施。
[0017]此外，根据本专利技术的通过产物水的蒸发和冷凝的尤其无源的热传递在具有借助涡轮在废气管路中进行能量回收的燃料电池系统中是有利的。借助加热的废气可以提高涡轮功率和从而减少用于空气压缩系统的电驱动功率。
[0018]在本专利技术的帮助下，可以在涡轮之前实现提高的热传递，因为两个或甚至多个热源蒸发产物水。因此可以显著提高涡轮功率。从而在燃料电池系统和/或车辆中进一步减少本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种燃料电池系统(100)，具有：至少一个燃料电池(101)，和阴极路径(10)，用于给所述至少一个燃料电池(101)提供呈供入空气(L1)形式的含氧反应物，其中，所述阴极路径(10)包括：供气管路(11)，用于给所述至少一个燃料电池(101)提供所述供入空气(L1)，和废气管路(12)，用于将废气(L2)从所述至少一个燃料电池(101)导出，并且其中，在所述阴极路径(10)的供气管路(11)和废气管路(12)之间设置至少一个热交换器(20)，以便将热能从所述供入空气(L1)传递至所述废气(L2)，其特征在于，所述热交换器(20)实施为通过产物水(H2O)的蒸发和冷凝以及借助所述供应空气(L1)通过所述热交换器(20)的多个流(M1，M2)将热量传递给所述废气(L2)通过所述热交换器(20)的一个流(M3)。2.根据权利要求1所述的燃料电池系统(100)，其特征在于，所述供气管路(11)的尤其流体技术上相对于产物水(H2O)封闭的多个管路区段和所述排气管路(12)的尤其流体技术上相对于产物水(H2O)封闭的多个管路区段穿过所述热交换器(20)延伸。3.根据权利要求1或2所述的燃料电池系统(100)，其特征在于，所述热交换器(20)实施为无驱动的，以便将热能在没有电能供应的情况下无源地和/或间接地、优选没有物质交换地从所述供入空气(L1)传递至所述废气(L2)，和/或所述热交换器(20)构造为用于将热量从所述供入空气(L1)单向地传递至所述废气(L2)。4.根据前述权利要求中任一项所述的燃料电池系统(100)，其特征在于，所述热交换器(20)具有至少一个第一管(R1)和第二管(R2)，所述第一管和第二管形成所述供气管路(11)的穿过所述热交换器(20)布设的两个部分，和/或所述热交换器(20)具有第三管(R3)，所述第三管形成所述废气管路(12)的穿过所述热交换器(20)布设的一部分。5.根据前述权利要求中任一项所述的燃料电池系统(100)，其特征在于，所述热交换器(20)的第一管(R1)、第二管(R2)和/或第三管(R3)具有外表面(WA)和内表面(WI)，其中，所述外表面(WA)的面积大于所述内表面(WI)的面积，和/或其中，所述外表面(WA)具有肋状结构、片状结构和/或...

【专利技术属性】
技术研发人员：J，
申请(专利权)人：罗伯特，
类型：发明
国别省市：