专利名称：用于加湿阳极气体的设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种按权利要求I前序部分详细定义类型的用于加湿燃料电池的阳极室和/或向燃料电池的阳极室流动的气流的设备。
背景技术：
燃料电池或由单体燃料电池的组成的电池组、即所谓的燃料电池组一般是利用在阳极侧的氢和在阴极侧的氧或空气运行。向阳极侧流动的氢在此方面一般是来自压缩气体存储器的氢。氢通过用于减压的阀装置在大多情况下不加湿地流动到阳极区域中。燃料电池的阳极室在此方面经常利用经加湿的空气作为氧提供者运行。这一点是合理且必要的，因为对于特别是汽车领域应用中最常用类型的燃料电池、即PEM燃料电池，聚合物膜必须具有一定的加湿以保持电池的正常功能。在此方面，一般来说燃料电池阴极侧的空气加湿 的实现比较简单并且大多足够确保至少是基本的加湿。而氢一般是从压缩气体存储器干燥地输送到燃料电池。这一点特别是对燃料电池组中的第一单体电池或在串联的燃料电池组中对第一列单体电池产生问题，因为这些单体电池的阳极侧不被加湿。这一点在这些单体电池或这列单体电池的区域中使膜片的质子传导能力变差并因此导致电效率变差。DE 10110419A1介绍了一种燃料电池系统，其中介绍了在阳极侧上的加湿方案和在阴极侧上的加湿方案。依据每个方案，在此方面通过水蒸汽可通过的膜片使阳极或阴极的排气流相应加湿各自的入流气体——即空气或氧。此外具有水分离器，该水分离器将在穿流过膜片加湿模块后残留的水从各自的排气中以液体形式分离出来。这些水然后被收集并通过泵以及单向阀重新输送到向阳极室或阴极室流动的气体的区域中，并在其已经为加湿而穿流过膜片模块后在所述气体的区域中、例如通过喷入而被输送。具有多个膜片模块形式的加湿装置和通过水分离器收集的水进行加湿的结构在此方面比较复杂并因此非常昂贵。此外，特别是在阳极的区域中需要比较大的结构空间，这一点的主要缺点是，在这里管道元件、部件和诸如此类的方面出现比较大的流动长度。因为密封内部流动的氢比较复杂和扩散损失在这里实际上不可避免，所以这一点在预计的氢消耗方面具有一定的缺点。此外，在水分离器的收集容器的区域中始终需要水泵，从而由此出现寄生的功率需求，其使燃料电池系统的总效率相应变差。通过改善燃料电池系统的第一电池列或第一电池列的加湿应当补偿到何种程度，根据所进行的计算和研究，至少在燃料电池的阳极室方面还存在疑问。
发明内容
这里本发明的目的在于，提供一种具有上述现有技术主要特征的、用于加湿燃料电池的阳极室和/或向燃料电池的阳极室流动的气流的设备，该设备此外可以产生一种非常简单、紧凑和高能效的结构。
该目的依据本发明通过权利要求I特征部分所述的特征得以实现。依据本发明的设备其他具有优点的实施方式在此方面来自其从属权利要求。因此依据本发明的结构提出，在阳极室与水分离器之间设有能在朝向水分离器的方向上被穿流的防回流装置。此外设有用于借助气体对水分离器进行压力加载的器件，通过该器件能使在水分离器的区域中的压力至少有时/暂时提高到高于在加湿装置的区域中的压力。因此该结构提出，取代具有泵的水收集容器，在水分离器与阳极室之间装入一止回阀或类似部件，从而该部段只能在朝向水分离器的方向上被穿流。通过适当的器件便可以对水分离器加载压力，其在燃料电池运行期间至少有时高于在加湿装置区域中的压力。通过在水分离器的区域中的较高压力可以使在那里收集的水被输送给加湿装置，再从该加湿装置将水用来给阳极室和/或流向阳极室的气流加湿。依据本发明，所述的压力加载借助气体进行。因为在燃料电池系统的区域中气体一般处于不同的压力水平上，所以该气体特别是可以来自本来就具有需要/必要的压力的区域，从而可以完全取消在燃料电池系统运行时用于输送气体的附加能量。·在本发明设备的一种特别有利和具有优点的改进方案中，所述气体含有氢。给水分离器加载压力的气体因此特别是可以含有氢或者就是氢。因为氢例如在压缩气体存储器的区域中本来就处于非常高的压力水平上，所以可以理想地使用这种氢，以便因此也向水分离器加载压力并将分离出的水向阳极区域中或向流向阳极的气流的区域中进行回输。因为氢一般也是供给燃料电池阳极室的气体，所以在气体通过加载压力而连带地流动到阳极室的区域中的情况下该气体无危险并且对燃料电池的运行也无不利影响，因为该气体在是氢或含有氢的情况下能够有助于燃料电池的燃料供给。在本发明设备的另一种特别有利和具有优点的实施方案中此外提出，所述气体是来自阳极室的排气流。特别是在例如串联结构的末端开放式(Open-End)的燃料电池中，一定残余量的氢与水一起从阳极室的区域中排出，这些残余量的氢要么被损失，要么例如被输入再燃烧装置以便回收热能并且避免对周围环境排放氢。这种来自阳极室排气流的气体的成分极好地适用于对水分离器进行压力加载并且与水一起回流到流向阳极室的气体的区域中和/或回流到阳极室本身中。在本发明设备的一种非常具有优点的改进方案中，所述的压力加载通过以至少在运行压力方面是动态的方式运行燃料电池来实施。燃料电池，特别是用于在汽车中提供驱动能量的燃料电池一般不是静态的，而是与汽车的功率要求相应地动态甚至是高动态地运行。燃料电池系统的这种高动态的运行方式不仅表现在高动态分布的电功率输出上，而且导致运行压力的高动态运行方式，或至少是允许这一点。对水分离器的压力加载现在可以特别简单有效的方式通过在运行压力方面的动态运行进行，这种运行压力要么专门为利用本发明设备实施加湿而设计，要么由于燃料电池的动态运行本来就存在。如果现在燃料电池的区域中出现压力上升，那么水相应地聚集在水分离器的区域中并且由于在流向阳极室的气体的区域中的较高压力而不向该气体或阳极室的区域中流出。如果现在对于燃料电池的供给中流向阳极室的气体压力下降，那么至少在一较短的时段中水分离器区域中的压力高于流向阳极室的气体的压力。在这种运行状况下，水通过加湿装置被排空到阳极室中或流向阳极室的气体中并因此加湿该阳极室/该气体。在本发明设备的一种特别有利和具有优点的改进方案中，此外在水分离器与加湿装置之间设有能在朝向加湿装置的方向上被穿流的防回流装置。这样确保了不会由于流向阳极室的气体造成对水分离器的压力加载。在本发明设备的一种特别有利和具有优点的改进方案中此外提出，在加湿装置的区域中具有用于使水雾化和/或汽化的器件。通过这种用于雾化和/或汽化的器件可以产生气雾或水蒸汽，其以如下方式实现对阳极室和/或流向阳极室的气流的加湿，即存在足够的加湿而阳极室的分区不会由于过多的液态水而被水“淹没”从而防止膜片部分通过液态水与气体接触。在一种具有优点的改进方案中，在加湿装置的区域中设有至少一个水蒸汽可通过的膜片，该至少一个膜片在一侧与水接触而在另一侧与流向阳极室的气体接触。依据本发明的结构在这里也允许使用膜片，这一点特别是在如下情况下具有优点即对水分离器加载压力的气体是不为氢或不含氢的气体。例如在利用来自阴极区的排气、利用氧或氮加载压力时，这种方案具有明显的优点，这是因为仅有水蒸汽通过膜片进入流向阳极室的气体的区域中并且不会出现气体本身的混合。
由此在另一种非常有利和具有优点的实施方案中此外提出，加湿装置具有用于将水喷入阳极室和/或流向阳极室的气流中的喷嘴件。特别是在充分利用加载压力用气体的情况下，这种特别简单的结构将水雾化成非常细的气雾。这一点可以使加湿非常简单和有效，其中，通过雾化时精细分布的水滴，同样可以安全可靠地防止阳极室被大量的液态水淹没。该结构在此方面极其有效，因为可以能效非常高地在阳极室和/或流向阳极室的气流中将比较大量的水雾化。在本发明设备的另一种非常具有优点的实施方案中此外提出，加湿装置和/或阳极室具有用于改善水向阳极室/流向阳极室的气流中的过渡的表面区域。这种表面例如可以通过在相应的粗糙度、适当的材料或诸如此类的方面适当地扩大表面而这样构成，使水到流向阳极室的气流或已经处于阳极室中的气体的过渡相应地变得容易。由此在一种特别有利和具有优点的改进方案中此外提出，表面区域能被加热。除了例如通过使气流在其上形成相应的润流从而使水能被容易地吸收并一起流走的粗糙表面的过渡外，此外可以对表面区域加热，从而作为对于在气流中纯机械地吸收水的方案的替代或补充，可以对水进行加热直至使之变成蒸汽。由此进一步改变了气体对水的吸收。
依据本发明的设备其他具有优点的实施方式在此方面来自其余的从属权利要求和下面参照附图借助实施例进行详细说明。其中图I示出依据本发明的设备第一可能的实施方式；图2示出依据本发明的设备第二可能的实施方式；图3示出依据本发明的设备中的加湿装置的第一实施方式；以及图4示出依据本发明的设备中的加湿装置的第二实施方式。
具体实施例方式在图I的图示中可以看出燃料电池系统I的一部分。在此方面示出燃料电池2，该燃料电池作为所谓的PEM燃料电池构成并且一般地作为由单体电池组成的电池组构成。每个单体电池具有阳极室3和阴极室4，所述阳极室和阴极室在这里所示的实施例中举例示出。阳极室3和阴极室4通过质子交换膜(PE膜)5彼此分开。向阴极室4以本身公知的方式输送作为氧提供者的空气，贫氧的排气流从阴极室4排出。这一点从普遍的现有技术中公知，从而在这里所示结构的框架内对此不再详细描述。从压缩气体存储器6通过一用于减压的阀装置7给燃料电池2的阳极室3供给氢。压缩气体存储器6在此方面一般在350bar或700bar的压力水平上工作并给燃料电池2的阳极室3供给比较高纯度的氢。来自压缩气体存储器6的氢在(经过)阀装置7后在此方面比较干燥，因此，尽管流入燃料电池2的阴极室4的进气流一般被加湿，但燃料电池的至少第一单体电池或单体电池列可能会在其阳极室3的区域中干透。在应用以不具有所谓的阳极循环的方式运行的燃料电池2时，也就是说该燃料电池要么作为无气体逸出而全部氢都在阴极区3中耗尽的、末端封闭式(Dead-End)燃料电池2构成，要么作为一定量的残余氢从阳极区3排出的、所谓的末端开放式燃料电池2构成，这种对第一单体电池的加湿和/或在串联形式的阳极室3的结构中对第一单体电池列的加湿都具有决定性的挑战。图I中的结构在此方面示出了作为末端开放式燃料电池的燃料电池2的结构，其 中来自阳极室3的排气流经一水分离器8和节流阀9排出。这些残余氢然后要么到达周围环境中，要么可以在一燃烧器一例如催化燃烧器、多孔燃烧器或诸如此类的燃烧器一中再燃烧以利用其热能。在来自阳极室3的排气流的区域中的水分离器8在此方面同样以本身公知的方式实施并且用于在排气流的区域中分离出液态的水滴。在水分离器8的下部区域中这些液态的水积聚并且通过一管道元件10进入加湿装置11的区域中，以便被直接输入阳极室3和/或输入流向阳极室的气流中以对其加湿。在阳极室3与水分离器8之间的区域中设有一防回流装置12。来自阳极室3的排气流仅能在朝向水分离器8的方向上穿流过该防回流装置12。现在为了在加湿装置11的区域中实现对例如流向阳极室的气流进行加湿而无需为此提供——例如必须通过泵或诸如此类的器件产生的——附加能量，在此情况下可以通过带有阀装置14的管道元件13给水分离器8施加来自压缩气体存储器6的、处于压力下的氢，该压缩气体存储器在阀装置7的区域中或阀装置7上游的区域中被分接出支路。防回流装置12避免了，处于压力下的氢“从下游”流入燃料电池2的阳极室3中。通过适当地设定节流阀9，可以防止明显量的氢从燃料电池系统I中流出。水分离器8中的处于压力下的氢然后通过管道元件10将水和至少一部分氢输送到加湿装置11的区域中，在其区域中所述的水用于加湿阳极室3和/或流向阳极室3的气流。该结构在此方面特别简单和有效并且仅设有一个附加的管道元件13和附加的阀装置14便足够，而无需在燃料电池系统I的运行期间需要功率的输送装置或这类装置。图2示出燃料电池系统I的另一进一步简化的结构，其中可以实现(与图I实施例)相当的功能。在图2所示的燃料电池系统I结构中省去了管道元件13和阀装置14。在管道元件10的区域中在此方面具有另一防回流装置15，该防回流装置仅能在从水分离器8向加湿装置11的方向上被穿流过。功能在其他方面相同，其中，在这里在燃料电池系统I的动态运行中进行从水分离器8向加湿装置11的区域中的水输送。依据第一运行状态，在此方面向阳极室3流动的气体的压力比较高。在这种情况下，防回流装置15有效地阻止这些气体进入水分离器8的区域内。来自阳极室3的排气流通过防回流装置12进入水分离器的区域中。在这里可以分离出液态的水，可能的残余气体可以连续或断续地通过节流阀9排出。如果现在由于燃料电池2的动态运行而使向阳极室3流动的气体的区域中的压力下降，那么在水分离器8与阳极室3之间形成一压降。在这种情况下，防回流装置12阻断，使得来自水分离器8的区域的排气流不能返回到阳极室3中。同时防回流装置15打开并且从而允许积聚在水分离器8的区域中的水通过管道元件10流出到加湿装置11中。然后可以通过加湿装置11利用来自水分离器8的水实现对阳极室3和/或流向阳极室3的气流的加湿。因为燃料电池2的运行——特别是在该燃料电池在汽车中用于产生电驱动功率的情况下——一般是动态地或高动态地进行，所以能够在燃料电池的运行时间上以时间手段确保对阳极室3或流向阳极室3的气流的足够加湿，特别是因为第一单体电池或第一单体电池列的经加湿的膜片的干透需要一定的时间，从而在膜片干透之前至少在统计上出现了一具有如下压力条件的重新的运行阶段该压力条件允许对阳极室3和/或流向阳极室3的气流进行重新加湿。图3的图示举例示出加湿装置11的第一可能的实施方式。该加湿装置11包括被流向阳极室3的气流穿流过的第一分室16。一第二分室17通过水蒸汽可以通过的膜片18与分室16隔开。在(第二)分室17的区域中，现在存在来自水分离器8的水，所述水在该·(第二)分室17中例如可以汽化或雾化。所形成的水蒸汽可以穿过膜片18进入(第一)分室16，从而对向阳极室3流动的气体进行加湿。如图所示，如果需要可以使残余物排出。这种结构特别是在使用气体来给水分离器8加载压力的情况下具有优点，该气体例如氧、氮或类似的惰性气体不到达阳极室的区域中。从图4的图示中可以看出加湿装置11的一种可选择的实施方式。加湿装置11在此方面具有唯一的腔室19，该腔室被流向阳极室3的气流穿流过。此外具有喷嘴20，通过该喷嘴使来自水分离器8的水到达加湿装置11的区域中。通过适当地选择喷嘴以及可能存在的节流装置21的形式，可以仅通过对水分离器8加载压力的压力和通过节流装置21和喷嘴20建立的流过的气体的负压实现在流向阳极室3的气流的区域中的水的雾化。因为在这里除了水的雾化外一般还使用于加载压力的气体也连带地到达流向阳极室的气流中，所以这种结构特别是当用于给水分离器8加载压力的气体是氢或至少含有氢时是适合的。这些氢然后可以在阳极室3的区域中按规定地在燃料电池中被转化。对于加湿装置11的这两种结构中以及其它从普遍的现有技术中公知的加湿装置11结构，此外可以提出，在加湿装置11的区域中或者还在阳极室3本身的区域中设有适当的表面22、例如具有相应的表面粗糙度等的表面，所述表面使附着在该表面的区域中的水容易被向阳极室3流动的或已经处于阳极室3中并且在这里同样流动的气体的在该表面上流过的气流吸收。图4举例示出的这种表面22例如可以具有适当的表面粗糙度或材料，以取得这种效果。特别是这种表面22也可以具有加热装置，例如电加热装置，其在图4中通过原理上示出的加热线圈23表示。这种结构可以作为对改善水向气流中的机械过渡的替代或补充，通过加热实现水的升温或汽化，从而使水能更好地被流过的气流吸收。总而言之，依据这里所介绍的结构的燃料电池系统对于燃料电池2阳极室3或向燃料电池2阳极室3流动的气体的加湿而言提供了一种非常简单、有效、紧凑构造的并且能量优化的方案。特别是第一单体电池或在串联构成的燃料电池组2中的第一单体电池列因此得到足够的加湿，从而燃料电池2的电气性能在任何运行状况下均可以得到改善。
权利要求
1.一种用于对燃料电池(2)的阳极室(3)和/或流向燃料电池(2)的阳极室(3)的气流进行加湿的设备，包括位于来自阳极室(3)的排气流中的水分离器(8)并且包括加湿装置(11)，所述加湿装置设置用于给阳极室(3)和/或流向阳极室(3)的气流输入至少一部分水，其中，水分离器(8)和加湿装置(11)通过一管道元件(10)连接，其特征在于，在阳极室(3 )与水分离器(8 )之间设有能在朝向水分离器(8 )的方向上被穿流的防回流装置(12 )，设有用于对水分离器(8)进行压力加载的器件，通过该器件能使在水分离器(8)的区域中的压力至少有时提高到高于在加湿装置(11)的区域中的压力，其中，所述的压力加载借助气体进行。
2.按权利要求I所述的设备，其特征在于，所述气体包括氢。
3.按权利要求I或2所述的设备，其特征在于，所述气体是来自阳极室(3)的排气流。
4.按权利要求I或2所述的设备，其特征在于，所述气体来自一压缩气体存储器(6)。
5.按权利要求1、2或3所述的设备，其特征在于，所述的压力加载通过一至少在运行压力方面是动态的燃料电池(2)运行来实施，为此在水分离器(8)与加湿装置(11)之间设有能在朝向加湿装置(11)的方向上被穿流的防回流装置(15)。
6.按权利要求1-5之一所述的设备，其特征在于，在加湿装置(11)的区域中具有用于使水雾化和/或汽化的器件。
7.按权利要求6所述的设备，其特征在于，在加湿装置(11)的区域中设有能被水蒸汽透过的至少一个膜片(18)，该至少一个膜片在一侧与水接触而在另一侧与流向阳极室(3)的气体接触。
8.按权利要求6或7所述的设备，其特征在于，加湿装置(11)具有用于将水喷入阳极室(3)和/或流向阳极室(3)的气流中的喷嘴件(20)。
9.按权利要求1-8之一所述的设备，其特征在于，加湿装置(11)和/或阳极室(3)具有用于改善水到流向阳极室(3)的气流中的过渡的表面区域(22)。
10.按权利要求9所述的设备，其特征在于，所述表面区域(22)被加热。
全文摘要
本发明涉及一种用于对燃料电池(2)的阳极室(3)和/或向燃料电池(2)的阳极室(3)流动的气流进行加湿的设备。该设备包括位于来自阳极室(3)的排气流中的水分离器(8)并且包括加湿装置(11)，所述加湿装置设置用于给阳极室(3)和/或流向阳极室(3)的气流输入至少一部分水。水分离器(8)和加湿装置(11)通过一管道元件(10)连接。在阳极室(3)与水分离器(8)之间设有能在朝向水分离器(8)的方向上被穿流的防回流装置(12)。设有用于对水分离器(8)进行压力加载的器件，通过该器件能使在水分离器(8)的区域中的压力至少有时提高到高于在加湿装置(11)的区域中的压力。所述的压力加载借助气体进行。
文档编号H01M8/04GK102947996SQ201180029684
公开日2013年2月27日 申请日期2011年5月14日 优先权日2010年6月17日
发明者S·德恩, M·昆图斯, F·施特克 申请人:戴姆勒股份公司