【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用于产生电能的燃料电池系统，以及一种用于在这种燃料电池系统中循环阳极废气的方法。
技术介绍
1、已知的是燃料电池系统被用于产生电能。为此，燃料电池系统通常配备有燃料电池堆，在燃料电池堆中，多个分别具有阳极部和阴极部的单独燃料电池以堆叠方式布置。为了产生电能，燃料电池堆被供以燃料气体，通常还被供以环境空气，使得这些气体能够在其中发生化学反应以产生电能。
2、作为燃料气体，在已知的燃料电池系统中通常采用氢气或天然气。还知道了在燃料电池堆内反应过程中未被反应的一部分燃料气体作为循环气体又被送入燃料电池堆以便再次循环，从而提升燃料气体使用效率。
3、已知的解决方案的缺点是，尤其在使用氢气作为燃料气体的情况下，所述循环可能降低工作效率。如果氢气被送入燃料电池堆，则氢气在阳极部中反应生成由水和剩余氢气组成的阳极废气混合物。在循环所述气体混合物时，所含的水会造成能斯特电压显著降低。燃料电池堆的能斯特电压的降低导致效率降低，这通常抵消由循环造成的效率提升。换言之，导致所述循环在燃料电池系统以氢气运行时并未达成所期望的效率提升或者提升效果有限。
4、虽然原则上已经知道了在循环时可以通过阳极废气的冷却而使一部分所含的水冷凝并分离冷凝水，但所述结构极其复杂且成本高昂。这尤其是因为必须采用外冷却循环，其能够利用外部热沉将冷却剂送入循环管路，以便实现阳极废气内的水蒸汽的冷凝。增设附加冷却循环和相应的外围设备导致燃料电池系统的复杂性和成本不利地升高。
技术实现思路p>
1、本专利技术的任务是至少部分消除前述缺点。本专利技术的任务尤其是在燃料电池系统以氢气运行时也以成本有利且简单的方式排出冷凝水。
2、上述任务通过一种具有权利要求1的特征的燃料电池系统和一种具有权利要求12的特征的方法来完成。本专利技术的其它特征和细节来自从属权利要求、说明书和图。在此，关于本专利技术的燃料电池系统所描述的特征和细节显然也与本专利技术方法相关地适用，反之均亦然，故关于对各个专利技术方面的公开内容总是进行或能够相互参照。
3、根据本专利技术，提出一种用于产生电能的燃料电池系统。它具有带有阳极部和阴极部的燃料电池堆。阳极部配备有用于供应阳极供应气体的阳极供应部和用于排出阳极废气的阳极排出部。同样地，阴极部配备有用于供应阴极供应气体的阴极供应部和用于排出阴极废气的阴极排出部。在阳极排出部中设有分配部，其允许将阳极废气分配给阳极循环部用于作为阳极循环气体进行循环以及分配给阳极排气部用于作为阳极排气排出至环境。根据本专利技术的燃料电池系统的特点是，在阳极排出部内或在阳极循环部内设置与阴极供应部传热接触的冷凝器装置。它用于通过加热阴极供应气体的方式使阳极废气或阳极循环气体冷却。在冷凝器装置的下游设有排水口，用于排出在冷凝器装置中冷凝的冷凝水。此外，在排水口的下游设有混合部，用于将阳极循环气体与燃料气体混合并且作为阳极供应气体供入阳极供应部中。
4、本专利技术的核心构思是保证阳极废气的循环。所述循环以分配的方式发生，故借助分配部将一部分阳极废气作为阳极循环气体进行循环。剩余的阳极废气作为阳极排气被排出至环境。如下文还要解释地，所述阳极排气也可以进行再处理。尤其是将阳极排气与阴极废气结合。
5、阳极循环气体的循环以干燥方式进行，即，通过引导经过冷凝器装置。在冷凝器装置中，使阳极废气或阳极循环气体的温度低于水的沸点，即，根据压力条件和取决于气体成分的分压，使温度低于约100℃。这导致阳极循环气体所含的水蒸汽被冷凝出并作为液态冷凝水存在。在此要指明的是，视分配部定位的不同，冷凝器装置不仅可以在所述分配部前面布置在阳极排出部中，也可以在分配部后面布置在阳极循环部中。在两种情况下都可以获得本专利技术的优点。
6、在冷凝器装置的下游设有呈排水口形式的分离器，在分离器中可以将阳极循环气体的冷凝组分(即冷凝水)与气态组分分离。因此可使液态冷凝水从所述系统中排出并且例如排放至环境。余留的阳极循环气体也可以被称为干燥的阳极循环气体并且相应地在干燥状态下被送入混合部。在例如可被设计成喷射器装置、混合腔或类似形式的混合部中，阳极循环气体与由燃料气体源供应的燃料气体进行混合。根据可用的阳极循环气体量，可以相应地混入所需补充的燃料气体量。由燃料气体和阳极循环气体组成的混合气体接着作为阳极供应气体又被送入燃料电池堆的阳极部。
7、本专利技术的核心构思现在尤其是，为了冷凝在阳极循环气体或阳极废气内的冷凝水，不需要外部冷源并且也不需要单独的外部冷循环。相反，冷凝器装置按照本专利技术的方式被设计成与阴极供应部处于传热接触中。由于这种燃料电池系统以空气作为阴极部的阴极供应气体来工作，因此从周围环境吸入空气。所述吸入例如能够借助风扇装置来达成。吸入的空气因此具有环境温度，其根据温度条件可以在-20℃至50℃的范围内或甚至更高。在此重要的是，即使在高温应用环境下，例如在沙漠地区，环境空气也不会超过水的沸点(通常是100℃)。换言之，即便环境温度很高，所供应的环境空气作为热沉，也足以作为最冷的可用温度，为阳极废气或阳极循环气体提供冷却功率，使其能够冷却到低于水的冷凝温度。如前面的解释所示，现在仅通过将环境空气作为阴极供应气体供应，就可以作为次要功能来提供一种也可被称为热沉的冷源。所述热沉用于在冷凝器装置内，从作为阳极循环废气来循环的阳极废气中汲取足够的热能，使得阳极废气或阳极循环气体的温度降低到低于水的沸点。根据本专利技术，冷凝过程是在没有外冷却源作用的情况下进行的，尤其是在没有燃料电池系统的外冷却循环的情况下进行的。
8、还要指明的是，在复杂的燃料电池系统中，当然可以在其它位置处设置冷却循环，以便能执行期望的温度调节过程。尤其在被设计成sofc系统的燃料电池系统的情况下预期有很高的温度，故例如燃料电池堆的各部分可以被设计成具有外冷却装置。但根据本专利技术，这种已有的外冷却源并不用于阳极循环气体和阳极废气的冷凝功能。
9、根据本专利技术，通过将冷凝功能集成到阴极供应部来达成阳极循环气体或阳极废气内的冷凝水的期望冷凝。因此，干燥后的阳极循环气体被混入燃料气体中并相应地获得由循环带来的期望的效率提升，而不用因未干燥的阳极循环气体造成能斯特电压降低。相比于已知的解决方案，在无需附加复杂构件的情况下，尤其只通过被设计成气体-气体换热器的冷凝器装置，即可在燃料电池系统运行中实现这一干燥步骤并达成相应的效率提升。
10、因此，除了效率提升外，尤其甚至还可以采用更小的喷射器，因为不希望有的冷凝水被分离，故燃料气体中需要混入的体积流量相应减小。
11、可能有利的是，在本专利技术的燃料电池系统中，所述阳极排出部具有与阳极供应部传热接触以从阳极废气传热至阳极供应气体的阳极排出换热器。在此，就温度而言能够实现进一步的效率提升。结合下文还要解释的其它可能的不同换热器，因此与冷凝器装置共同形成一种换热器系统，其也可被称为温度调节系统，它允许再利用在阳极废气以及阴极废气中的尽量多的余热并将其用于其它功能，例如冷凝以及阳极供应气体和阴极供应气本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种用于产生电能的燃料电池系统(100)，具有带有阳极部(120)和阴极部(130)的燃料电池堆(110)，所述阳极部(120)具有用于供应阳极供应气体(AZG)的阳极供应部(122)和用于排出阳极废气(AAG)的阳极排出部(124)，所述阴极部(130)具有用于供应阴极供应气体(KZG)的阴极供应部(132)和用于排出阴极废气(KAG)的阴极排出部(134)，
2.根据权利要求1所述的燃料电池系统(100)，其特征是，所述阳极排出部(124)具有与所述阳极供应部(122)传热接触的阳极供应换热器(121)，用于从所述阳极废气(AAG)传热至所述阳极供应气体(AZG)。
3.根据前述权利要求之一所述的燃料电池系统(100)，其特征是，所述混合部(123)被设计成喷射器装置，所述喷射器装置的初级接口连通至燃料气体(BRG)的燃料供应机构，并且所述喷射器装置的次级接口连通至所述阳极循环部(140)。
4.根据前述权利要求之一所述的燃料电池系统(100)，其特征是，所述阴极排出部(134)具有催化器装置(136)，所述催化器装置与所述阳极排气部(
5.根据前述权利要求之一所述的燃料电池系统(100)，其特征是，所述阴极供应部(132)具有与所述阴极排出部(134)传热接触的阴极供应换热器(131)，用于从所述阴极废气(KAG)传热至所述阴极供应气体(KZG)。
6.根据前述权利要求之一所述的燃料电池系统(100)，其特征是，所述分配部(125)布置在下述位置之一：
7.根据前述权利要求之一所述的燃料电池系统(100)，其特征是，在所述阳极供应部(122)中，最好在阳极供应换热器(121)的下游，设置阴极排出换热器(133)，用于从所述阴极废气(KAG)传热至所述阳极供应气体(AZG)。
8.根据前述权利要求之一所述的燃料电池系统(100)，其特征是，在所述阴极供应部(132)中设置阴极供应换热器(131)，用于从所述阴极废气(KAG)传热至所述阴极供应气体(KZG)。
9.根据前述权利要求之一所述的燃料电池系统(100)，其特征是，在所述阳极供应部(122)中，在所述混合部(125)的上游，设置控制阀(160)，用于控制流经所述混合部(125)的燃料气体(BRG)的体积流量。
10.根据前述权利要求之一所述的燃料电池系统(100)，其特征是，所述阳极排出部(124)被设计成不具有外冷却循环。
11.根据前述权利要求之一所述的燃料电池系统(100)，其特征是，在所述阴极供应部(132)中设置阴极混合部(135)，尤其呈喷射器装置的形式，所述喷射器装置的次级接口以流体连通的方式连接至阴极循环部(170)，用于将一部分阴极废气(KAG)作为阴极循环气体(KRG)进行循环。
12.一种用于在具有权利要求1至11之一所述的特征的燃料电池系统(100)中将阳极废气(AAG)作为阳极循环气体(ARG)进行循环的方法，具有以下步骤：
...【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】
1.一种用于产生电能的燃料电池系统(100)，具有带有阳极部(120)和阴极部(130)的燃料电池堆(110)，所述阳极部(120)具有用于供应阳极供应气体(azg)的阳极供应部(122)和用于排出阳极废气(aag)的阳极排出部(124)，所述阴极部(130)具有用于供应阴极供应气体(kzg)的阴极供应部(132)和用于排出阴极废气(kag)的阴极排出部(134)，
2.根据权利要求1所述的燃料电池系统(100)，其特征是，所述阳极排出部(124)具有与所述阳极供应部(122)传热接触的阳极供应换热器(121)，用于从所述阳极废气(aag)传热至所述阳极供应气体(azg)。
3.根据前述权利要求之一所述的燃料电池系统(100)，其特征是，所述混合部(123)被设计成喷射器装置，所述喷射器装置的初级接口连通至燃料气体(brg)的燃料供应机构，并且所述喷射器装置的次级接口连通至所述阳极循环部(140)。
4.根据前述权利要求之一所述的燃料电池系统(100)，其特征是，所述阴极排出部(134)具有催化器装置(136)，所述催化器装置与所述阳极排气部(150)流体连通相连，用于将所述阳极排气(aug)和阴极废气(kag)进行催化再处理。
5.根据前述权利要求之一所述的燃料电池系统(100)，其特征是，所述阴极供应部(132)具有与所述阴极排出部(134)传热接触的阴极供应换热器(131)，用于从所述阴极废气(kag)传热至所述阴极供应气体(kzg)。
6.根据前述权...
【专利技术属性】
技术研发人员：拉斐尔·纽鲍尔，B·潘迪亚，M·戈尔，
申请(专利权)人：AVL李斯特有限公司，
类型：发明
国别省市：
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