燃料电池系统以及用于关停燃料电池堆栈的方法与流程

本发明涉及一种带有燃料电池堆栈的燃料电池系统以及用于关停燃料电池堆栈的方法。

燃料电池使用利用氧气使燃料转化成水的化学转化来用于产生电能。为此，燃料电池作为核心部件含有所谓的薄膜电极单元(mea代表(薄膜电极组件)(membraneelectrodeassembly))，其是由离子传导的(大多质子传导的)薄膜和相应地在两侧布置在薄膜处的电极(阳极和阴极)构成的组合体。此外，气体扩散层(gdl)可在薄膜电极单元的两侧布置在电极的背对薄膜的侧处。一般，燃料电池由多个以堆栈(stack)布置的mea形成，其电气功率叠加。在各个薄膜电极单元之间通常布置有双极板(也称为流场板)，其确保单电池以工作介质、即反应物的供应且通常还用于冷却。此外，双极板用于与薄膜电极单元的导电接触。

在聚合物电解质薄膜(pem)-燃料电池的运行中，燃料、尤其氢气h2或含氢气的气体混合物经由双极板的在阳极侧打开的流场被输送给阳极，在这里发生在给出电子的情况下h2到h⁺的电化学氧化。经由电解质或薄膜(其使反应室气密地彼此分隔并且电气隔离)实现了质子h⁺从阳极室到阴极室中的(水合地或无水的)运送。在阳极处提供的电子经由电气管路被引导给阴极。阴极经由双极板的在阴极侧打开的流场被输送以氧气或含氧气的气体混合物(例如空气)，使得发生o2在接受电子下变成o^2-的反应。同时氧气阳离子与经由薄膜运送的质子在形成水的情况下在阴极室中发生反应。

为了向燃料电池堆栈供应以其运行介质、即反应物，该燃料电池堆栈一方面具有阳极供给部且另一方面具有阴极供给部。阳极供给部包括用于将阳极运行气输送到阳极室中的阳极供给路径和用于将阳极废气从阳极室中排出的阳极废气路径。相同地，阴极供给部具有用于将阴极运行气输送到阴极室中的阴极供给路径和用于将阴极废气从燃料电池堆栈的阴极室中排出的阴极废气路径。

为了关停燃料电池堆栈，已知的是，将存在于阴极室中的空气移除。这一方面用于阻止催化物质的氧化物和由此其有效性的减少。另一方面应在稍后系统的重启动的情况中阻止所谓的空气-空气-启动，在其中空气不仅存在于阳极侧上而且还存在于阴极侧上并且其同样导致催化剂的降解。一种已知的用于将空气从阴极室中移除的策略设置成，在空气输送接通之后将其经由扫气管路利用燃料、尤其氢气涌没，其一方面排挤空气且另一方面与仍存在的剩余的氧气相反应并且由此将其化学结合。为了该转换，须将氢气与氧气共同带到阴极的催化材料处。缺点是，氢气与氧气的反应在阴极室中部分扩散受控地且由此相对较慢的流出。此外，氧气的转换需要化学计量的氢气且由此提高了氢气的总消耗。

为了补偿催化材料(大多是铂)的降解，已知的是，提高铂浓度。然而这是成本密集的。

背景技术：

文件de102012023799a1说明了一种用于关停燃料电池系统的方法，在其中在停止来自燃料电池的电气功率消耗之后，在阳极和/或阴极侧提供负压，以便于使燃料电池干燥，并且紧接着利用燃料装填阳极和/或阴极，以便于在停止运行状态期间避免氧气的侵入。为了在阴极侧上产生负压，使用制动力放大器的负压泵，其在吸入侧与负压管路处于连接，负压管路使阴极废气管路与阳极废气管路相互连接。

在文件de102011119665a1中说明了一种燃料电池系统，在其中在阴极废气管路中布置有根据文氏管原理起作用的气体射流泵，其压力进入侧被加载以阴极排出空气而其吸气侧联接到被连结到阳极废气管路处的排放压力管路处。如果应使该系统准备于燃料电池的重启动，则借助于气体射流泵在阳极室中产生负压，以便于将水从中移除。水经由排放压力管路与气体射流泵被输送给阴极废气(排出空气)。

在文件de102011114721a1中公开的系统是在压力进入侧与空气输送装置相连接的且在输出侧与阴极室相连接的气体射流泵。气体射流泵的吸气侧联接到用于水的吸收装置处，其被排出空气的部分流穿流。以该方式实现阴极进入空气的加湿。

技术实现要素：

本发明的目的现在在于，提供一种燃料电池系统，其适用于在关停系统的情况中快速地且有效地使燃料电池堆栈的阴极室释放氧气。此外应提出一种用于关停燃料电池堆栈的方法。

该目的通过带有独立权利要求的特征的燃料电池系统以及用于关停该燃料电池系统的方法来实现。

根据本发明的燃烧电池系统包括燃烧电池堆栈，其具有阴极室和阳极室。燃烧电池系统此外具有阳极供给部，其带有用于将阳极运行气输送到阳极室中的阳极供给路径和用于将阳极废气从阳极室中排出的阳极废气路径。燃料电池系统此外具有阴极供给部，其带有用于将阴极运行气输送到阴极室中的阴极供给路径和用于将阴极废气从阴极室中排出的阴极废气路径。阴极供给部此外包括用于在燃料电池堆栈的阴极室中产生负压的负压产生器件。根据本发明设置成，负压产生器件构造成喷射器，其在压力进入侧与布置在阴极供给路径中的压缩机流体引导的相连接并且在吸入侧与燃料电池堆栈的阴极室流体引导地相连接。

通过使用负压产生器件，引起燃料电池堆栈的阴极室的快速抽真空并且由此引起阴极运行气、尤其空气从阴极室中的快速移除。此外，降低了用于化学消散现存于阴极室中的剩余的氧气所需的燃料量，例如氢气。喷射器是射流泵，其与注射器相反首要具有抽吸作用并且由此设计用于产生负压。喷射器相对于其它负压产生器件、例如泵或真空鼓风机所具有的优点是，其不需要电气的或机械的驱动能量，而是被动地工作。对于其运行而言由此不需要附加的能量消耗。喷射器此外具有的优点是，其不具有运动的构件且由此无维护和无磨损。喷射器包括三个流体联接部，即压力进入部(压力侧)、抽吸进入部(负压联接部)以及排出部。在根据本发明的燃料电池系统中，喷射器的压力进入部与阴极供给路径的压缩机确切地在其高压侧流体引导地相连接。由此存在于喷射器中的推进喷嘴以用作推进介质的被压缩的阴极运行气、尤其压缩的空气来加载。由此在喷嘴后在抽吸进入部处形成负压，其在本发明中与阴极室处于流体连接。由此根据文氏管原理在抽吸进入部处产生负压且由此在燃烧电池堆栈的阴极室中产生负压。推进介质以及被吸入的介质一同在排出部处离开喷射器。

优选地，喷射器在排出侧与阴极废气路径流体引导地相连接。以该方式从阴极室抽出的阴极运行物质被输送给通常的阴极废气路径且由此输送给此处存在的废气设施。该实施方式此外可省去带有自身的消声器的附加的排出口且必要时在自身排出部的火焰过滤器。

在本发明的一优选的实施方案中，阴极供给部包括布置在阴极废气路径中的涡轮机。这样的涡轮机尤其用于驱动布置在阴极供给路径中的压缩机，其中，涡轮机和压缩机经由共同的轴彼此相连接。在这样的配备有涡轮机的系统中，喷射器优选地在排出侧与涡轮机的低压侧的阴极废气路径流体引导地相连接。由此提高了喷射器的抽吸功率且在关停系统的情况中加速阴极室的抽真空。

阴极供给部此外可具有所谓的废气门管路，其将阴极供给路径与阴极废气路径相连接。这使得经压缩的阴极运行气在绕行燃料电池堆栈的情况下直接引入到阴极废气管路中。以该方式可将燃料电池堆栈的运行压力根据当前的负荷要求迅速变化，而不必影响压缩机的功率，这(即影响压缩机功率)是相对缓慢的过程。

在本发明的设计方案中，喷射器布置在废气门管路中。以该方式对于其错接而言需要仅一个附加的管路、即负压管路，其连接喷射器的抽吸侧与阴极室、尤其与阳极废气路径。

在本发明的备选的设计方案中，喷射机(直接地)布置在阴极废气路径中。这意味着，压力进入部以及其排出部直接与阴极废气路径相连接。该设计方案还与较小的配管耗费相关。然而喷射器在正常运行中还被阴极废气流过。由此，在该设计方案中，喷射器的压力进入部还与被压缩的阴极运行气体加载，阴极供给部在此优选地具有废气门管路，其将阳极供给路径与阳极废气路径在喷射器上游相连接。

在本发明的一优选的设计方案中，燃料电池系统此外包括扫气管路，其由阳极供给部的阳极供给路径或阳极废气路径中分支出来并且通入阴极供给部的阴极供给路径或阴极废气路径中。通过这样的扫气管路可在关停燃料电池系统的情况中在阴极供给部与阳极供给部之间建立流体连接部，从而可将燃料从阳极供给部输送给阴极室。优选地，扫气管路将阳极废气路径与阴极废气路径相连接。

在本发明的另外的设计方案中，燃料电池系统此外具有用于调节气体质量流的调整器件，其布置在喷射器的抽吸侧的上游，也就是说布置在燃烧电池堆栈的阴极室与喷射器的抽吸进入部之间。调整器件可主动地或被动地工作并且例如构造成阀(例如被动的止回阀或主动的可调节的阀)或活门。这样的调整器件，在燃料电池系统的正常运行中，也就是说在当其不应被关机时，阻碍了阴极废气流经注射器或流回到阴极室中。

本发明此外涉及一种用于关停燃料电池的方法，尤其在根据本发明的燃料电池系统的情况中。该方法包括以下步骤：

-将燃料电池堆栈的阴极室与环境相分离，

-在阴极室中产生负压以用于借助于喷射器将阴极运行气从阴极室中移除，并且

-将燃料引入到阴极室中以用于使燃料与存在于阴极室中的剩余的氧气反应。

通过在阴极室中产生负压自身快速释放在此存在的运行气、尤其氧气。在接下来将燃料、例如氢气引入到阴极室中的情况中，这与剩余的仍存在的氧气在形成水的情况下相反应。因为由于在之前发生的阴极室的抽真空，仅存在非常少的剩余氧气，因此需要相应少的燃料量来使氧气消散。

优选地，在将阴极室与周围环境分隔之前，阴极运行气到燃料电池堆栈的阴极室中的输送被中断，由此减少为了驱动用于阴极运行气的压缩机所需的驱动能量。

优选地，在阴极室与周围环境的分隔之前且必要时在中断阴极运行气的输送之后通过将阴极运行气从阴极室中放出实现对存在于阴极室中的过压的避免。以该方式已可将存在于阴极室中的阴极运行气的大部分从阴极室中移除。优选地，阴极运行气的放出如此长地进行，直至在阴极室中基本上出现环境压力。

在根据本发明的方法的优选的实施方案中，喷射器通过作为推进物质的被压缩的阴极运行气来运行。因为在燃料电池系统的运行中，基本上总归提供这样的被压缩的阴极运行气，可将其无其它消耗地用于喷射器的运行。尤其地，在此布置在阴极供给路径中的压缩机用于压缩运行气体。

本发明的进一步优选的设计方案由其余的在从属权利要求中提及的特征得出。

本发明的在该申请文件中所提及的不同的实施形式，只要在个别情况中不另外地实施，则可与优点彼此组合。

附图说明

接下来根据从属的附图以实施例阐述本发明。其中，

图1显示了根据本发明的燃料电池系统；

图2显示了根据本发明的第一设计方案的燃料电池系统；

图3显示了喷射器的构造；

图4显示了根据本发明的第二设计方案的燃料电池系统；

图5显示了根据本发明的第三设计方案的燃料电池系统；

图6显示了根据本发明的第四设计方案的燃料电池系统；以及

图7显示了根据本发明的第五设计方案的燃料电池系统。

具体实施方式

图1显示了整体上以100'表示的根据现有技术的燃料电池系统。燃料电池系统100'作为核心部件包括燃料电池堆栈10。燃料电池堆栈10具有阳极室11以及阴极室12，它们被可导离子的聚合物电解质薄膜13彼此分隔。阳极室和阴极室11,12分别包括催化电极(阳极或负极)，其催化燃料电池转化的相应的部分反应。在燃料电池堆栈中通常布置有多个不同类型的以堆栈形式的单电池，其中，在两个薄膜电极单元中各布置有一个双极板，其用于将运行介质输送到阳极室和阴极室11,12中并且此外在各个燃料电池之间建立电气连接。

为了以运行气供给燃料电池堆栈10，燃料电池系统100'一方面具有阳极供给部20且另一方面具有阴极供给部。

阳极供给部20包括阳极供给路径21，其用于将阳极运行气、例如氢气输送到阳极室11中。阳极供给部21为了该目的将燃料贮存器23与燃料电池堆栈10相连接。布置在阳极供给路径21中的调整器件24用于调节燃料的质量流。调整器件24例如构造成调节阀。

阳极供给部20此外包括阳极废气路径22，其将阳极废气从燃料电池堆栈10的阳极室11中排出。任选地，可在阳极废气路径22中安装脱水器25，其分离燃料电池反应中的产物水。此外，阳极供给部20可具有燃料循环管路(未示出)，其将阳极废气路径22与阳极供给路径21相连接。燃料的再循环是通常的，以便于使大多超化学计量地使用的燃料引回并利用。

阴极供给部30包括阴极供给路径31，其将阴极运行气输送给阴极室12。阴极运行气例如是空气。为了运输和压缩空气，在阴极供给路径31中布置有压缩机33。

阴极废气路径32将阴极废气(排出空气)从阴极室12中排出并且必要时将其输送给未示出的废气设置。任选地，如这里所示出的那样，压缩机33可通过布置在阴极废气路径32中的涡轮机34驱动，在此，压缩机33和涡轮机34经由共同的轴彼此连接。电极35有助于引起压缩机33的驱动。

由阴极供给路径31分支出的废气门管路36将阴极供给路径31与阴极废气路径32相连接。当被压缩的阴极运行气例如在低负荷阶段中在燃料电池堆栈10中不被需要，然而另一方面压缩机33不应被关机时，废气门管路36用于绕行燃料电池堆栈10。任选地可在废气门管路36中布置调整器件37，其例如构造成活门或调节阀。通过调整器件37调节穿流废气门管路36的质量流且由此调节燃料电池堆栈10的功率。

另一调整器件38在阴极供给路径31中布置在废气门管路36的分支部位的下游。又一调整器件39在阴极废气路径32中存在于废气门管路36的通入部位上游。调整器件38,39同样构造成活门或阀并且使得燃料电池堆栈10的阴极室12与周围环境的分隔成为可能。

燃料电池系统100'此外包括扫气管路26，其由阳极废气路径22分支出并且通入到阴极废气路径32中。布置在扫气管路26中的调整器件(活门或阀)27用于调节流量。在脱水器25中冷凝的水的排出优选地经由扫气管路26到阴极废气路径32中来实现。备选地，代替脱水器25，扫气管路26可直接从阴极废气路径32中分支出。

阴极供给部30的不同的另外的细节在简化的图1中出于清楚性未被示出。如此以来，阴极供给部30可具有换热器，其用于预热通过压缩机33压缩的空气。换热器通常被来自阴极室12的作为热载体的热排出空气穿流。在此，换热器不仅在阴极供给路径31方面而且在阴极废气路径32方面被相应的旁通管路包围。此外可在阴极废气路径32方面设置涡轮机旁通管路，其绕行涡轮机。此外，已知不带有涡轮机34的系统。此外，可在阴极废气路径32中构建脱水器，以便于使从燃料电池反应中产生的产物水冷凝并导出。

为了在关停燃料电池系统100'的情况中使阴极室12释放氧气，如以下来运行在图1中示出的燃料电池系统100'。在将燃料电池堆栈10与电气消耗器或能量贮存器的电气功率消耗分隔之后，堆栈10的阴极室12通过关闭在燃料电池堆栈10的入口或出口处的两个调整器件38和39来与周围环境分隔开。紧接着打开在扫气管路26中的阀27且由此使阴极室12与阳极供给部20相连接。燃料由此被导入到阴极室12中且与存在于此的空气的氧气在形成水的情况下相反应。以该方式可将分子氧从阴极室21中移除。为了该过程必须将燃料(氢气)和氧气在阴极电极处带到彼此接触。这是扩散受控的且因此相对缓慢的过程。此外，这可导致气体的不均匀分配。此外需要相对多的燃料来使存在于阴极室12中的氧气量完全消散。

在接下来的附图中以示意性实施方案示出的根据本发明的燃料电池系统补救了该问题。在此，一致的元件以在图1中相同的附图标记表示且不再一次阐述。更多的是接下来仅研究相对于图1的本发明相关的不动点。

根据本发明，根据图2，阴极供给部30配备有喷射器40，其基础结构和功能性借助于图3来阐述。

在图3中示出的喷射器40具有带有构造在其中的推进喷嘴42的基体41。喷射器40此外具有三个联接部，即压力进入部43，其以推进物质加载；抽吸进入部或负压联接部44，其与待抽真空的腔相连接；以及排出部45。喷射器40可不同于图3中所示出的而实施成可调节的。

根据本发明，喷射器40在压力进入侧、即以其压力进入部43与阴极供给路径31更确切地说在压缩机33的下游相连接。在根据图2的实施例中，这经由压力进入管路46来实现，其由阴极供给路径31在压缩机33的高压侧且在调整器件38的上游、尤其在废气门管路36的上游分支出来。任选地，可在压力进入管路46中构建用于调节气体质量流的调整器件(活门或阀)或者喷射器40实施成可调节的。此外喷射器40在抽吸侧，也就是说以其负压联接部44与燃料电池堆栈10的阴极室12相连接。根据图2，这经由负压管路47来实现，其由阴极废气路径32在调整器件39的上游且在废气门管路36的上游分支出。在负压管路47中布置有另一调整器件48，其用于在燃料电池系统100的正常运行中隔绝喷射器40与阴极室12。在喷射器40中的被共同引入的气体经由排出部45经由排出管路49离开喷射器，排出管路在图2中示出的示例中在涡轮机34下游、也就是说在其低压侧通入到阴极废气路径32中。任选地，喷射器还可配备有联接在排出部45处的消音器。

在图2中示出的设计方案的变型方案中，代替压力进入管路46，废气门管路36与喷射器40的压力进入部43相连接(类似于图4)。于是可省去自身的压力进入管路46。

在图2和3中示出的系统显示出如下功能：

在燃料电池堆栈10的正常运行中，也就是说，只要其截取了电气功率，则调整器件24,38,39打开且调整器件27和48关闭。废气门调整器件37与系统的负荷点相关地关闭或部分或完全打开。当应关停燃料电池堆栈10时，堆栈首先与电气负荷降低降低相分离。接下来关闭调整器件38和39，以便于使燃料电池堆栈10的阴极室12与周围环境分隔。压缩机33由此可在该时间点进一步运行且加载喷射器40的压力进入部43。然后将负压管路47中的调整器件48打开，且由此使阴极室12与喷射器40相连接。在压力下形成的空气经由压力联接部43进入到喷射器40中并且穿流喷嘴42。根据文氏管原理，紧邻在推进喷嘴42之后形成负压，由此使空气经由负压管路47从阴极室2中被吸气或抽吸。被抽吸的空气和压缩空气共同经由排出部45经由排出管路49离开。在确定的持续时间之后或在达到在阴极室12中的预定的负压的情况中，关闭在负压管路47中的调整器件48并且打开在扫气管路26中的调整器件27。由此燃料(氢气)流入到阴极室12中并且与在此必要时还存在的剩余氧气相反应，以便于将其转换为水。紧接着关闭在扫气管路26中的调整器件27。在该状态中，由此使得燃料电池堆栈10的阴极室12与周围环境完全分隔。该系统可被保留该状态中直至其重启动。

任选地，可在关停燃料电池堆栈10的情况中首先仅关闭调整器件38并且首先仍保持调整器件39打开，以便于排放现存于阴极室12中的空气。这优选地进行，直至阴极室12中的压力水平相应于周围环境压力。于是调整器件39才被关闭且阴极室12通过打开调整器件48与喷射器40相连接。

图2示出了根据本发明的燃料电池系统，在其中涡轮机34存在于阴极废气管路32中，而接下来的图4至6显示了根据本发明的备选的燃料电池系统，其不具有这样的涡轮机。

根据图4，喷射器40在压力进入侧与废气门管路36相连接并且由此经由其可由被经压缩的阴极空气加载。代替图2的涡轮机34，根据图4的系统具有布置在阴极废气路径32中的另一调整器件50，其优选地构造成可调节的阀或可调节的活门。由此调整器件50除了完全关闭和完全打开的位置之外，可在任意的中间位置中被调整。排出管路49在调整器件50的下游通入到阴极废气路径32中。在图4中所示出的实施方案中喷射器实际上布置在废气门管路中，其在此由管路区段36和49形成。

在图4中示出的错接可省去调整器件37。此外，在类似于图2的一变型方案中，喷射器40在压力进入侧经由附加的从阴极供给路径31分支出的压力进入管路46与阴极供给管路相连接并且废气门管路36直接通入到阴极废气路径32中。

在图5中示出的系统的情况中，废气门管路36通入到阴极废气路径32中并且压力进入管路46(其利用被压缩的阴极运行物质加载喷射器40)在废气门管路36下游从阴极废气管路32分支出。任选地，在压力进入管路46中的在此未示出的调整器件(阀或活门)可在联结喷射器40的推进喷嘴的上游。在该设计方案中，喷射器40与阴极废气路径32近似并联在旁通管路中。

根据本发明的燃料电池系统100的另一变体方案100在图6中示出。在该示例中，喷射器40直接布置在阴极废气路径32中。这意味着，其压力进入部43以及其排出部45直接联接到阴极废气路径32处。

图7显示了根据本发明的带有涡轮机34的燃料电池系统100的另一实施方案。与在图2中不同地且类似于在图5中，压力进入管路46在旁通管路36的通入部下游从阴极废气路径32中分支出。喷射器由此被联结在绕行涡轮机34的旁路中。在此还可任选地在压力进入管路46中在喷射器40的推进喷嘴之前布置调整器件。

在图2,4,5和7中示出的实施形式的优点是，喷射器40相应地与阴极废气路径32并联，从而阴极废气流在正常运行中不流经喷射器40。由此喷射器40在该实施方案中可比在根据图6中的实施方案更小地设计尺寸，这与更少的损失电流相关。根据图2的实施方案，在其中喷射器40定位在除了废气门管路36外在阴极供给路径31与阴极废气路径32之间的附加的管路连接部(46,49)中，允许喷射器的最小的设计方案且由此最小的损失电流。

附图标记清单

100燃料电池系统

100'根据现有技术的燃料电池系统

10燃料电池堆栈

11阳极室

12阴极室

13聚合物电解质薄膜

20阳极供给部

21阳极供给路径

22阳极废气路径

23燃料箱

24调整器件/阀

25脱水器

26扫气管路

27调整器件/阀

30阴极供给部

31阴极供给路径

32阴极废气路径

33压缩机

34涡轮机

35电机

36废气门管路

37废气门调整器件

38调整器件/阀

39调整器件/阀

40负压产生器件/喷射器

41基体

42推进喷嘴

43压力进入部

44抽吸进入部/负压联接部

45排出部

46压力进入管路

47负压管路

48调整器件

49排出管路

50调整器件。