具有加湿的氧化剂流的燃料电池系统的制作方法

本文所公开的技术涉及一种具有加湿的氧化剂流的燃料电池系统。

背景技术：

通过加湿阴极空气可提高燃料电池的性能和效率。尤其是在燃料电池运行温度升高时、例如在燃料电池的冷却剂出口温度高于75℃时是这种情况。尤其是在运行温度升高和/或燃料电池功率高时需要额外加湿氧化剂流。

de102008053151a1公开了一种装置，在该装置中，液态介质可在增压空气冷却器上游并且在压缩机下游借助计量装置被输入。加湿程度在此通过用作接触加湿器的增压空气冷却器和附加的膜加湿器调节。已表明，在具有加湿装置的燃料电池系统中会较多地出现压缩机故障。此外，在已知的系统中在向供应管路输入水时水不完全汽化。此外，在供应管路的壁上也会由汽化的水再次形成液态水。在冬天，这些液态水在供应管路中冻结。在冷启动时，在燃料电池入口中解冻的水会明显劣化冷启动。此外，冻结的液态水会损坏供应管路。

技术实现要素：

本发明的任务在于，减少或消除已知解决方案的缺点。其它任务可由本文所公开技术的有利效果产生。所述任务通过独立权利要求的技术方案解决。从属权利要求构成本文所公开技术的优选方案。

本文所公开的技术涉及一种燃料电池系统，其包括至少一个燃料电池。燃料电池系统例如用于移动式应用、如机动车。在所述应用的最简单形式中燃料电池是电化学能量转换器，其将燃料和氧化剂转化成反应产物并且在此产生电和热。燃料电池包括阳极和阴极，它们通过离子选择性分隔器分开。阳极具有向阳极供应燃料的供应装置。优选的燃料是氢、低分子量醇、生物燃料或液化天然气。阴极例如具有氧化剂供应装置。优选的氧化剂例如是空气、氧气和过氧化物。离子选择性分隔器例如可构造为质子交换膜(pem)。优选使用阳离子选择性聚合物电解质膜。用于这种膜的材料例如包括：和燃料电池系统包括至少一个燃料电池以及外围系统组件(bop-组件)，所述外围系统组件可在所述至少一个燃料电池运行时使用。通常多个燃料电池组合成燃料电池堆或堆。

燃料电池系统包括氧化剂输送器，其将氧化剂输送至燃料电池的阴极。这种氧化剂输送器例如可构造为压缩机或涡轮压缩机。氧化剂输送器可将氧化剂、优选氧气或空气通过阴极供应管路或者说供应管路或者说进气管路(下面简称为术语“供应管路”)输送至阴极中。氧化剂输送器例如可将氧化剂压缩至大于1巴的压力上。在此，氧化剂例如可加热至160℃和更高。氧化剂输送器在供应管路中设置在阴极上游。

燃料电池系统还包括至少一个加湿装置，该加湿装置将液体、在此为水输入、优选喷射或雾化到氧化剂流中。液体的喷射或雾化在此可理解为液体以最细小的微滴(气溶胶或雾)被分散到氧化剂中。通过将水雾化可确保与空气流的良好充分混合并且射入的水可基于大的反应液体表面而更快速地蒸发或汽化。为此，燃料电池系统可装有压力喷嘴，该压力喷嘴将水喷射到氧化剂流中。为了最细小的微滴例如设置具有高达20巴水压的喷射器或喷嘴。也可这样构造喷嘴，使得根据文丘里效应或喷射泵原理使氧化剂流自身抽吸水。加湿装置在供应管路中设置在氧化剂输送器中和/或其下游并且设置在燃料电池系统上游、优选热交换器或载热体(下文：热交换器)上游。射入的水构成冷却功率的存储器。为此，储水装置例如可存储生成的产物水，该产物水例如从燃料电池废气中分离出。加湿装置优选与热交换器间隔开设置。优选加湿装置设置在氧化剂输送器中(如蜗壳中)和/或与氧化剂输送器相邻设置。特别优选加湿装置与热交换器或燃料电池间隔开至少约0.3l、进一步优选至少约0.5l、并且特别优选至少约0.75l设置，在此，l是氧化剂流在氧化剂输送器和热交换器之间的行程。优选加湿装置与氧化剂输送器一体构造。由此有利地实现了至少大部分射入的水在其进入热交换器之前汽化。

本文所公开的燃料电池系统还包括至少一个水槽。所述水槽尤其是设置在所述至少一个燃料电池和所述氧化剂输送器之间。

已表明，液态水由于不利的几何组成、由于动态运行(恒定的横向纵向加速度)或由于倾斜而可能会回流到压缩机中并损坏压缩机。水槽可这样构造和设置在供应管路中，使得水槽防止处于供应管路中的液态水回流向或回流到氧化剂输送器中。

这种水槽也可称为回流阻挡装置。水槽尤其可以是参照供应管路其它区域的凹部或凹陷。凹部或凹陷可比供应管路的周围区域设置得更低或更深。可能的处于供应管路中(例如供应管路壁上)的液态水积聚在水槽中。因此这样构造和设置水槽，使得水槽能够积聚或存储处于供应管路中的液态水。优选水槽设置在供应管路区段的最低点，水槽应积聚其液态水。由此可防止水回流向氧化剂输送器。因此可确保液态水不会在氧化剂输送器中造成机械和/或电气损坏。此外，优选这样构造供应管路中的水槽，使得不因为水槽而改变氧化剂流o的流动横截面。换言之，水槽由供应管路壁中的凹部或凹陷构成。

术语“与氧化剂输送器相邻”包括这样的方案，在这些方案中，加湿装置或水槽直接设置在氧化剂输送器旁或与氧化剂输送器间隔开少许距离设置。优选所述至少一个水槽与氧化剂输送器相邻地构造。优选加湿装置和/或水槽与氧化剂输送器间隔开最大约0.2l、进一步优选最大约0.1l、并且特别优选最大约0.05l的距离设置。

优选所述至少一个水槽与加湿装置和/或与所述至少另一水喷射装置流体连通。由此确保：可借助简单的措施将积聚的液态水再次排走。液态水因此可再次有效地用于加湿燃料电池。例如水槽可与所述至少一个加湿装置通过相应管路连接。但优选这样一种实施方式，在该实施方式中，水槽仅与一个水喷射装置流体连通，该水喷射装置与水槽直接相邻地设置在供应管路中。优选在水槽和水喷射装置之间的距离最大约为0.2l、进一步优选最大约为0.1l、并且特别优选最大约为0.05l。因此可有利地省却可能的占用空间大及成本高的管路。

优选所述至少一个水喷射装置构造为喷射泵。这种喷射泵是已知的。喷射泵主要构成旋转的prandl-皮托管，其例如根据文丘里效应而自身可抽吸水。这种喷射泵也称为喷射器或射流泵。在此，从喷射泵旁流过的氧化剂可用作推进剂，其符合目的地引起喷射泵抽吸液态水。这种方案特别有利，因为可这样构造喷射泵，使得其不需要外部(如电动或气动)能量。喷射泵成本特别低廉并且稳定并且还只需很少的安装空间。

优选这样构造水喷射装置或者说喷射泵，使得其可将积聚在水槽中的液态水输入氧化剂流中。由此，液态水可从收集容器通过低静压直接被输入氧化剂流的紊流部分中，从而实现增强的雾化。防止了壁膜形成并且即使在降低的流速下也可确保水槽的完全排空。

优选燃料电池系统具有至少一个调节机构。所述调节机构可构造用于改变水喷射装置在供应管路中的位置。调节机构尤其是适合用于将水喷射装置送入第一或者说下降的位置中，在该第一或者说下降的位置中水喷射装置比在第二或者说升高的位置中较少地妨碍氧化剂流，当在水槽140中已积聚至少一些水时喷射泵150占据所述第二或者说升高的位置。在第二位置中水喷射装置能够向氧化剂流中喷射液态水。

优选调节机构包括浮子，该浮子固定在水喷射装置上。此外，调节机构优选还包括铰链，该铰链将水喷射装置可转动地与供应管路连接。

燃料电池系统可包括多个水槽。所述至少一个水喷射装置可以例如通过相应水管与所述多个水槽流体连通。所述多个水槽之中的至少一个、优选所有水槽分别具有一个关闭装置。该关闭装置可构造用于中断在水槽和所述至少一个水喷射装置之间的流体连通。在非局部地再次输入一个或多个水槽的液态水时，关闭装置(例如通过浮子致动的结构)有利于关闭不需要的水管或抽吸管。由此，水喷射装置的抽吸功率可集中到实际存储液态水的水槽上。避免或减少了无液态水成分的寄生气流。用于多个可具有不同功能(沿流体方向防止回流/阻挡)的水槽的一个共同的水喷射装置可经由无源的水管或抽吸管连接到相应水槽。

借助本文所公开的技术可预防组件损坏并且同时改善雾化以及通过有效地再次输入回流的损耗水而提高初始水喷射的效率。该系统主要采用无源致动的组件并且因此非常可靠。

附图说明

下面参考附图来说明本文所公开的技术，下述优选方案不限制要求保护的技术方案。附图如下：

图1为本文所公开的燃料电池系统100的示意图；

图2为包括水喷射装置150的供应管路160的示意图；

图3为沿图2的a-a线的横剖视图；以及

图4为包括多个水槽140、140'的燃料电池系统100。

具体实施方式

图1示意性示出燃料电池系统100的结构。燃料电池系统100包括具有阴极112和阳极114的燃料电池110，所述阴极和阳极通过在此以虚线示出的离子分隔器彼此分开。供应管路160具有第一端部162，该第一端部与氧化剂输送器120、如压缩机120连接。供应管路160的第二端部164终止于燃料电池110的阴极112中。在此仅简化示出燃料电池110。优选多个燃料电池110组合成一个燃料电池堆。在供应管路160的第一端部162上设有加湿装置130，该加湿装置在此例如包括喷嘴，通过该喷嘴将水喷射到氧化剂流o中。在加湿装置130下游设有一个水槽140(参见图2)。第二加湿装置130'设置在热交换器或者说增压空气冷却器180和水槽140之间。在增压空气冷却器180和燃料电池110的阴极侧入口之间还设有水分离器190，该水分离器在燃料电池110之前不远处将可能的水从氧化剂流o分离出。在燃料电池中的电化学反应之后，氧化剂流o作为燃料电池废气a离开燃料电池。

图2示意性并且放大示出供应管路160的局部以及氧化剂输送器120。氧化剂输送器120与供应管路160的第一端部162连接。氧化剂输送器120与供应管路160的其它区段相比位于较低的位置上。氧化剂输送器120生成氧化剂流o。该氧化剂流o具有紊流并且具有相对高的温度。在与供应管路160第一端部162相邻的区域中通过加湿装置130将水输入供应管路160中。这些水被微粒分散地分布到紊流的氧化剂流o中并且大部分被汽化。在更远的下游示出第二加湿装置130'，其也向氧化剂流o输入水。但所输入水的一部分并未完全汽化或者说冷凝在了供应管路160的壁上。因此在供应管路壁上出现水积聚。这些水在在此所示实施方式中回流到水槽140中。这样确定水槽的尺寸，使得该水槽可以足够存储液态水，使得没有液态水回流到氧化剂输送器120中。

积聚在水槽140中的液态水通过构造为喷射泵的水喷射装置150再次被输入氧化剂流中。喷射泵包括输入管152，其伸入水槽140中。通过输入管152，电动头158抽吸液态水，这些液态水随后被微粒分散地分布到紊流的氧化剂流o中。优选这样确定喷射泵150的尺寸，使得其即使在少量的氧化剂流o时也可输入足够的水，由此在水槽140中最多也就积聚少量的液态水。由此减少了供应管路160中的液态水量，这有利于冷启动性能。在此也大大降低了冻结的液态水损坏供应管路160的危险。输入管152通过刚性连接与浮子156连接。此外，输入管152通过铰链154和保持装置155与供应管路160连接。这样构造铰链154和浮子156，使得它们允许喷射泵150围绕铰链154转动。尤其是喷射泵150可在非常低的水位中占据第一位置，在该第一位置中喷射泵比在第二位置中更少地阻碍氧化剂流o，当水槽140中已积聚水时喷射泵150占据该第二位置。在该第二位置中喷射器158设置在氧化剂流o中并且将液态水输入氧化剂流o中。

图3示出沿图2的线a-a的横剖视图。输入管152伸入积聚在水槽140中的液态水中。液态水在输入管152中升高并通过喷射器158喷出。

图4示出供应管路160以及供应管路160的另一区段160'。所述另一区段160'例如可设置在更远的下游、例如供应管路160的第二端部164处。也可想到两个平行的供应管路160、160'。在水槽140、140'中可积聚液态水，这例如在前面已经关于其它附图描述过。两个水槽140、140'通过水管170、170'与一个共同的水喷射装置150连接，该水喷射装置将水槽140、140'中积聚的液态水再次输入氧化剂流o中、优选在氧化剂输送器120附近，因为在该区域中可特别好地实现蒸发/汽化。优选这样构造和设置水管170、170'和水喷射装置150，使得液态水可无源地被抽吸，即不使用电能和/或机械能。为此例如可使用喷射泵150。水槽140、140'在此分别具有一个关闭装置142、142'，其构造用于中断在相应水槽140、140'和所述至少一个水喷射装置150之间的流体连通。为此，关闭装置142、142'例如可包括浮子，该浮子与水槽打开阀连接并且根据水位打开或关闭所述水槽打开阀。当例如水槽140'中没有液态水时，阀142'关闭并且抽吸管170'不抽吸空气。水喷射装置150的全部抽吸功率于是用于水槽140。水槽140、供应管路160、水喷射装置150和加湿装置130在其它方面相应于其余附图的对应装置。

本发明的上述描述仅用于说明目的并且不用于限制本发明。在本发明的范围中可在不离开本发明范围及其技术等价物的情况下实现各种改进和改型。