本发明涉及气体馈送和排出系统，以及涉及用于将气体引导到燃料电池布置的至少一个电极上和用于引导气体离开电极的方法。
背景技术：
通常，对于燃料电池的操作，气态燃料和氧化剂被馈送到燃料电池的各电极。例如，气态氢或甲醇可用作燃料。通常，含氧气体、例如空气用作氧化剂。燃料与氧化剂之间的反应产物必须排出燃料电池。此外，已知的燃料电池系统通常包括用于驱散随着反应产生的废热的冷却系统、和用于设定/调节待馈送到系统的气体的湿度的加湿器。气体的润湿用于例如维持布置在燃料电池的电极之间的离子导体的功能。
从文献de102012018874a1已知一种具有空气输送装置和馈送空气冷却器的燃料电池系统，该空气输送装置用于压缩用于燃料电池的馈送空气，而该馈送空气冷却器用于借助废气对馈送空气进行冷却。空气经由空气输送(运输)装置、馈送空气冷却器并且经由加湿器被馈送到燃料电池的阴极隔室。来自阴极隔室的废气再次经由加湿器、馈送空气冷却器并且经由涡轮到达周围环境。这种系统的制造和操作成本常常主要由加湿器的构造类型和操作方式来确定。
技术实现要素：
从根据de102012018874a1的现有技术出发，本发明的目的因此是提出一种确保加湿器提升的效率和/或更长的使用寿命的系统。
该目的由如独立权利要求所述的系统和方法实现。在从属权利要求中描述了具体实施例。
因此所提出的是一种气体馈送和排出系统，包括：
具有至少一个电极的燃料电池布置；
气体-气体换热器，用于在待馈送到电极的第一气体与被引导离开电极或可以被引导离开电极的第二气体之间传热；以及
加湿器，用于在第一气体与第二气体之间传递湿气。
燃料电池布置、气体-气体换热器和加湿器都是设计的并且是相互流体连通，以使得：
在将第一气体引导到电极上之前，待馈送到电极的第一气体可被引导入气体-气体换热器中，并且从电极出发，第二气体可被引导入气体-气体换热器中，用于在气体-气体换热器中在第一气体与第二气体之间进行传热，
从气体-气体换热器出发，并且在气体-气体换热器中第一气体与第二气体之间的传热之后，第一气体和第二气体可被引导入加湿器中，用于在加湿器中进行第一气体与第二气体之间的湿气传递，以及
从加湿器出发，第一气体可被引入到燃料电池布置中，并且馈送到电极。
还提出了一种用于将第一气体引导到燃料电池布置的至少一个电极上并且用于引导第二气体离开该至少一个电极的方法，该方法包括以下步骤：
将待馈送到电极的第一气体引导入气体-气体换热器中，并且将被引导离开电极的第二气体引导入气体-气体换热器中，用于在气体-气体换热器中进行第一气体与第二气体之间的传热；
从气体-气体换热器出发，将在气体-气体换热器中温度调节过的第一气体和第二气体引导入加湿器中，用于在加湿器中进行第一气体与第二气体之间的湿气传递；以及
从加湿器出发，将在加湿器中加湿过或除湿过的第一气体引导到电极上。
因此，在此所提出的系统和在此所提出的方法与根据de102012018874a1的现有技术的区别具体在于：从气体-气体换热器出发，并且在气体-气体换热器中第一气体与第二气体之间的传热之后，第一气体和第二气体可被引导或被引导入加湿器中，用于在加湿器中在第一气体与第二气体之间进行湿气传递。
已发现，以此方式提高了加湿器的效率以及使用寿命。例如，布置在具有文中所提出的系统的加湿器中的水交换膜的表面积比起已知的系统可以以更小的方式来设计，用于实现在第一气体与第二气体之间所期望的湿气传递。这可显著减少制造加湿器的成本。类似地，借助所实现的加湿器使用寿命的延长可显著降低操作成本。加湿器中的湿气传递附加地通过以下方式来提高：由于在气体-气体换热器中在第一气体与第二气体之间的传热，包含在两种气体中的较冷气体中的湿气在加湿器中不期望的冷凝能够在将第一气体和第二气体引导入加湿器中之前就已经被减少或阻止。被引导离开电极的第二气体因此通常具有比待馈送到电极的第一气体更低的温度和更高的湿度。因此，然后在气体-气体换热器中实现对更潮湿的第二气体的加热。在该情况下，可通过借助更温暖并且更干燥的第一气体在气体-气体换热器中对更湿润的第二气体加热来减少或避免夹带在第二气体中的水蒸气在加湿器中不期望的冷凝。
较佳地，气体-气体换热器和燃料电池布置流体连通，以使得第二气体可以以直接的方式被从燃料电池布置引导入气体-气体换热器中。因此可避免在将第二气体引导入气体-气体换热器中之前对第二气体的温度调节，从而在气体-气体换热器中在第一气体与第二气体之间可传递或传递特别大量的热量。例如，在将第二气体引导出燃料电池布置时第二气体的温度常常低于在将第一气体引导入气体-气体换热器中时第一气体的温度。然后，借助燃料电池布置与气体-气体换热器之间以直接的方式将第二气体从燃料电池布置引导入气体-气体换热器中的直接连接来实现对第一气体特别高效的冷却。
关于用于燃料电池布置的已知气体馈送和排出系统，在待馈送到电极的第一气体与被引导离开电极的第二气体之间的传热通常经由附加的循环的冷却剂来实现，该冷却剂的温度通常低于第一气体的温度和第二气体的温度。相反，第一气体与第二气体之间的热交换较佳地不经由在此提出的气体-气体换热器中这种附加的冷却剂来实现。替代地，在此提出的气体-气体热交换器中第一气体与第二气体之间的热接触较佳地仅借助实心本体实现，实心本体设计为以使得它们构造为用于引导第一气体和第二气体，并用于将第一气体从第二气体分离。例如，气体-气体换热器可包括用于引导第一气体的第一容积和用于引导第二气体的第二容积，其中，第一容积与第二容积热接触，用于被引导在或可被引导在第一容积中的第一气体与被引导在或可被引导在第二容积中的第二气体之间传热。第一气体与第二气体之间的热接触可例如经由板或薄板来实现。气体-气体换热器可因此设计为板式换热器或薄板式换热器。
在本文提出的气体-气体换热器中第一气体与第二气体之间的传热之后，第一气体和第二气体通常具有更高的平均温度，这与其中热量在第一气体和/或第二气体和附加的循环冷却剂之间传递的气体馈送和排出系统相反。已发现，这可显著提高在加湿器中第一气体与第二气体之间的湿气传递的效率。
加湿器通常包括用于引导第一气体的容积和用于引导第二气体的容积。加湿器的、用于引导第一气体的容积在下文中被称为第三容积，从而与上述的气体-气体热交换器的第一容积和第二容积区别。加湿器的、用于引导第二气体的容积在下文中被称为第四容积。加湿器通常包括水交换元件，其使第三容积与第四容积分开，以使得在被引导在或可被引导在第三容积中的第一气体与被引导在或可被引导在第四容积中的第二气体之间的湿气传递是经由加湿器的该水交换元件实现的。水交换元件可例如包括至少一个水交换膜和/或毛细管，用于在第三容积与第四容积之间传递湿气。加湿器也可设计为管式加湿器。湿气从两种气体中更湿润的气体传递到两种气体中更干燥的气体上是在加湿器中实现的。如果第二气体是两种气体中更干燥的，则湿气传递是在加湿器中从被引导在第四容积中的第二气体传递到被引导在第三容积中的第一气体上来实现的。
气体-气体换热器的第一容积和第二容积以及加湿器的第三容积和第四容积通常各自包括用于引导气体入对应容积中的入口和用于引导气体离开对应容积的出口。第二容积的入口和第三容积的出口通常各自与燃料电池布置，具体是与电极流体连通。例如，第二容积的入口和第三容积的出口可各自与燃料电池布置直接流体连通。同样地，可设想第一气体和第二气体流动通过的其它系统部件布置在第二容积的入口和/或第三容积的出口与燃料电池布置之间。
第一容积的出口通常与第三容积的入口流体连通。例如，第一容积的出口可以与第三容积的入口直接流体连通。同样可设想第一气体流动通过的其它系统部件布置在第一容积的出口与第三容积的入口之间。
第二容积的出口通常与第四容积的入口流体连通。例如，第二容积的出口可以与第四容积的入口直接流体连通。同样可设想第二气体流动通过的其它系统部件布置在第二容积的出口与第三容积的入口之间。
如上所述，第二容积的入口较佳地以直接的方式、经由导管连接到燃料电池布置，用于将被引导离开燃料电池布置的第二气体以直接的方式引导入第二容积中。然后，该导管从燃料电池布置的出口向上延伸到第二容积的入口。
电极可以是燃料电池布置的阴极。第一气体是待馈送到阴极的反应气体，而第二气体则是阴极废气。燃料电池布置可以是氢气燃料电池布置。例如，第一气体可包括空气，特别是氧气，而第二气体可包括氢气。
气体-液体换热器可附加地布置在气体-气体换热器上游和/或下游，用于在将第一气体和第二气体引导入加湿器中之前对第一气体和/或第二气体的所期望温度的改进设定。第一气体和/或第二气体可因此被引导入气体-液体换热器中，用于在第一气体和/或第二气体与液体冷却剂之间传热。由于此产生了从整个系统改进的热驱散，使得气体-气体换热器的交换表面可在尺寸方面减小。
如果气体-液体换热器布置在气体-气体换热器上游，则在将第一气体和/或第二气体引导入气体-气体换热器中之前，第一气体和/或第二气体被引导入气体-液体换热器中。从气体-液体换热器出发，第一气体和/或第二气体然后被引导入气体-气体换热器中。如果相反地气体-液体换热器布置在气体-气体换热器下游，则从气体-气体换热器出发，第一气体和/或第二气体不被引导入气体-液体换热器中，直至在气体-气体换热器中第一气体与第二气体之间的传热之后。从气体-液体换热器出发，第一气体和/或第二气体然后被引导入加湿器中。当然，也可设有两个气体-液体换热器，其中第一个布置在气体-气体换热器上游，而其中第二个布置在气体-气体换热器下游。
气体-液体换热器可设计为，以使得液体冷却剂可在其中循环或经过其循环，从而热量可在冷却剂与第一气体和/或第二气体之间传递。具体地，气体-液体换热器可设计为用于冷却第一气体和/或第二气体。气体-液体换热器可包括用于引导第一气体的容积和/或用于引导第二气体的容积。气体-液体换热器的、用于引导第一气体的容积在下文中被称为第五容积。如果也设置用于引导第二气体的气体-液体换热器的容积，则该容积在下文中被称为第六容积。第五容积通常与前述气体-气体换热器的第一容积流体连通。第六容积通常与前述气体-气体换热器的第二容积流体连通。如果气体-液体换热器布置在气体-气体换热器上游，则第六容积还可与燃料电池布置流体连通。如果相反地气体-液体换热器布置在气体-气体换热器下游，则第五容积通常附加地与加湿器的第三容积流体连通。在这种情况下，第六容积可附加地与加湿器的第四容积流体连通。
该系统可包括用于压缩第一气体的压缩机。因此，在将第一气体引导到电极上之前，第一气体可被压缩。因此，第一气体与电极之间的反应的反应速率可增加，并且改善了燃料电池布置的效率。压缩机可例如设计为活塞压缩机或设计为旋转压缩机。
压缩机可以与气体-气体换热器流体连通，以使得第一气体可在压缩机中对第一气体进行压缩之后被引导入气体-气体换热器中，具体是进入气体-气体换热器的第一容积中。因此，在将第一气体引导入气体-气体换热器中之前，第一气体可被压缩。
压缩机也可以与加湿器和燃料电池布置流体连通，以使得从加湿器出发，第一气体可在加湿器中第一气体与第二气体之间的湿气传递之后被引导入压缩机中，并且从压缩机出发，第一气体可在压缩机中压缩第一气体之后被引导入燃料电池布置中。因此可设想，在加湿器中实现第一气体与第二气体之间的湿气传递之后，第一气体被压缩。在这种情况下，压缩机因此通常与加湿器的、用于引导第一气体的容积流体连通，由此与前述第三容积流体连通，并且与燃料电池布置流体连通。对第一气体的加热通常在压缩机中实现。如果压缩机布置在加湿器上游，则这在一定的情况下会由于温度升高而导致加湿器的水交换元件的损坏。这可通过最后所述的、直到在加湿器中第一气体与第二气体之间的湿气传递之后的对第一气体的压缩来避免。
该系统可包括膨胀机(expander)，其构造为将第二气体的热能和/或第二气体的动能的至少一部分转化为膨胀机的动能。因此，在第一气体与第二气体之间的湿气传递之后，第二气体可馈送到膨胀机。第二气体的热能和/或第二气体的动能然后可至少部分转化为膨胀机的动能。膨胀机可例如包括涡轮机或活塞。膨胀机可以与加湿器流体连通，以使得从加湿器出发，第二气体可馈送到膨胀机。因此，膨胀机可特别与用于引导第二气体的加湿器容积的构造为流体连通，因此与前述的第四容积流体连通。
替代或附加于膨胀机，该系统可包括热电式发电机，其构造为将第二气体的热能的至少一部分转化为电能。这种基于热电效应(塞贝克效应(seebeckeffect))的热电式发电机一般是本领域已知的。热电式发电机较佳地与加湿器流体连通，以使得从加湿器出发，第二气体可馈送到该热电式发电机。
膨胀机和压缩机和/或膨胀机和另一压缩机可以是联接或相互联接，以使得从第二气体传输到膨胀机上的能量可至少部分地从膨胀机传递到压缩机上和/或传递到另一压缩机上，用于对被引导入压缩机或另一压缩机中的第一气体进行压缩。从第二气体传递到膨胀机上的能量可因此从膨胀机传递到压缩机上和/或到另一压缩机上，用于压缩第一气体。例如，压缩机可包括能由膨胀机的涡轮机或活塞驱动的压缩机叶轮。还可设有发电机，所述发电机将由膨胀机所吸收的第二气体的能量至少部分地转化为电能。这可用于例如驱动压缩机的电动机或电化学系统中的其它消耗者。
由于系统包括热电式发电机，热电式发电机和压缩机和/或热电式发电机和另一压缩机可电气连接，使得从第二气体传递到热电式发电机上的能量可至少部分地从热电式发电机传递到压缩机上和/或传递到另一压缩机上，用于压缩第一气体。为此，电能会可能在其被传递到压缩机或到另一压缩机之前，在中间储存在用于电能的存储器中。
系统还可包括一个或多个旁通导管，用于对第一气体和/或第二气体的湿度和/或温度改进地设定。
系统可包括用于引导第一气体的第一旁通导管，在将第一气体引导入气体-气体换热器中之前，经由该第一旁通导管第一气体可至少部分地被引导入加湿器的出口中，同时对气体-气体换热器和加湿器旁通。第一气体可至少部分地转向到加湿器的出口中，例如在将第一气体引导入气体-气体换热器中之前，以直接的方式、经由该旁通导管到第四容积的出口中。
系统可包括用于引导第一气体的第二旁通导管，在将第一气体引导入气体-气体换热器中之前，经由该第二旁通导管，第一气体可至少部分地被引导入燃料电池布置中，同时对气体-气体换热器和加湿器旁通。在将第一气体引导入气体-气体换热器中之前，第一气体可以以直接的方式、经由该旁通导管至少部分地转向到燃料电池布置中。
系统可包括用于引导第一气体的第三旁通导管，在将气体引导入气体-气体换热器中之前，经由该第三旁通导管第一气体可至少部分地被引导入气体-气体换热器的出口中，同时对气体-气体换热器旁通。第一气体可至少部分地转向到气体-气体换热器的出口中，即在将第一气体引导入气体-气体换热器中之前，以直接的方式、经由该旁通导管进入第一容积的出口中。
系统可包括用于引导第一气体的第四旁通导管，在使第一气体从气体-气体换热器中出来之后，并且在将第一气体引导入加湿器中之前，经由该第四旁通导管，第一气体可至少部分地被引导入燃料电池布置中，同时对加湿器旁通。在使第一气体从气体-气体换热器出来之后，并且在将第一气体引导入加湿器中之前，第一气体可以以直接的方式、经由该旁通导管至少部分地转向到燃料电池布置中。
系统可包括用于引导第一气体的第五旁通导管，在使第一气体从加湿器中出来之后，并且在将第一气体引导入气体-气体换热器中之前，经由该第五旁通导管，第一气体可至少部分地被引导入从燃料电池布置中离开的导管中，同时对燃料电池布置旁通。在将第一气体引导入燃料电池布置中之前，第一气体可以经由该旁通导管至少部分地转向到气体-气体换热器中。
系统可包括用于引导第二气体的第一旁通导管，在使第二气体从燃料电池布置中出来之后，并且在将第二气体引导入气体-气体换热器中之前，经由该第一旁通导管，第二气体可至少部分地被引导入加湿器的出口中，同时对气体-气体换热器和加湿器旁通。第二气体可至少部分地转向到加湿器的出口中，例如在将第二气体引导入气体-气体交换器中之前，以直接的方式、经由该旁通导管到第四容积的出口中。
系统可包括用于引导第二气体的第二旁通导管，在使第二气体从燃料电池布置中出来之后，并且在将第二气体引导入气体-气体换热器中之前，经由该第二旁通导管，第二气体可至少部分地被引导入气体-气体换热器的出口中，同时对气体-气体换热器旁通。第二气体可至少部分地转向到气体-气体换热器的出口中，例如在将第二气体引导入气体-气体换热器中之前，以直接的方式、经由该旁通导管到第二容积的出口中。
系统可包括用于引导第二气体的第三旁通导管，在使第二气体从气体-气体换热器中出来之后，并且在将第二气体引导入加湿器中之前，经由该第三旁通导管，第二气体可至少部分地被引导入加湿器的出口中，同时对加湿器旁通。第二气体可至少部分地转向到加湿器的出口中，例如在使第二气体从气体-气体换热器中出来之后，并且在将第二气体引导入加湿器中之前，以直接的方式、经由该旁通导管到第四容积的出口中。
附图简述
本发明的实施例示例在附图中呈现并且借助后续描述更详细地阐释。附图中示出：
图1a示意地示出本发明的具有燃料电池布置、气体-气体换热器和加湿器的气体馈送和排出系统；
图1b示意地示出具有附加的旁通导管的图1a所示的气体馈送和排出系统；
图2示意地示出具有附加的气体-液体换热器的、图1a所示的气体馈送和排出系统的另一实施例；
图3示意地示出具有附加的气体-液体换热器的、图1a所示的气体馈送和排出系统的另一实施例；
图4示意地示出具有压缩机和膨胀机的、图1a所示的气体馈送和排出系统的另一实施例；
图5示意地示出根据第一布置的、具有附加的气体-液体换热器以及具有压缩机和膨胀机的图1a所示气体馈送和排出系统的实施例；以及
图6示意地示出根据第三布置的、具有附加的气体-液体换热器以及具有压缩机和膨胀机的图1a所示气体馈送和排出系统的实施例。
具体实施方式
图1a示出具有燃料电池布置2、气体-气体换热器3和加湿器4的气体馈送和排出系统100。燃料电池布置2包括至少一个电极2a和反应容积2b。电极2a至少部分地布置在反应容积2b之内，或达到反应容积2b。第一气体5经由反应容积2b馈送到电极2a。表示第一气体5的箭头代表导管，第一气体5被引导在该导管中，其中，箭头方向说明第一气体5在相应的导管中的流动方向。第二气体6同样经由反应容积2b被引导离开电极2a。表示第二气体6的箭头代表导管，第二气体6被引导在该导管中，其中，箭头方向说明第二气体6在相应的导管中的流动方向。
在此，电极2a是燃料电池布置2的阴极。燃料电池布置2还包括多个其它阴极和阳极，其在此和下文中为了简洁起见未示出。例如，第一气体5可同时经由反应容积2b馈送到多个阴极。第二气体6可同样同时经由反应容积2b被引导离开多个阴极。
在所示的实施例示例中，燃料电池布置2是氢燃料电池布置。第一气体5包括空气和/或氧气。包含在第一气体5中的氧气在阴极2a处吸收电子，并在反应容积2b中与质子反应成为水，质子从相邻的阳极通过膜扩散到反应容积2b中。第二气体6包括随该反应产生的水蒸气。
气体-气体换热器3包括用于引导第一气体5的第一容积7和用于引导第二气体6的第二容积8。第一容积7的入口7a例如经由用于引导第一气体5的导管连接到气体储存器(未示出)，使得从气体储存器出发，第一气体5可被引导到或被引导入第一容积7中，第二容积8的入口8a连接到燃料电池布置2的出口2c，具体是经由用于引导第二气体6的导管连接到反应容积2b的出口2c，使得从燃料电池布置2出发或从反应容积2b出发，第二气体6可被直接引导入或被直接引导入气体-气体换热器3的第二容积8中。
气体-气体换热器3的第一容积7和第二容积8彼此物理地分开，从而在气体-气体换热器3中不实现第一气体5与第二气体6的通过混合。热量经由气体-气体换热器3中的热接触9在被引导在第一容积7中的第一气体5与被引导在第二容积8中的第二气体6之间传递。因此，在气体-气体换热器3中实现气体5和6的温度的至少部分平衡。在此，在将第一气体5装载到第一容积7中时，第一气体5的温度比在将第二气体6装载到第二容积8中时的第二气体6的温度高，使得热量在气体-气体换热器3中从第一气体5传递到第二气体6上。例如，在将第一气体5装载到第一容积7中时，第一气体5具有在200℃至250℃之间的温度，而在将第二气体6装载到容积8中时，第二气体6具有例如在60℃至80℃之间的温度。第一容积7和第二容积8之间的热接触9仅借助例如呈板和/或薄板的形式的实心本体来实现。由于在气体-气体换热器3中、借助被引导离开电极2a的第二气体对待馈送到电极2a的第一气体5的至少部分的冷却，可能存在的、用于冷却燃料电池布置2的另一冷却系统可设计得更小。
加湿器4包括用于引导第一气体5的第三容积10和用于引导第二气体6的第四容积11。气体-气体换热器3的第一容积7的出口7b经由导管连接到加湿器4的第三容积10的入口10a。从气体-气体换热器3的第一容积7出发，在气体-气体换热器3中第一气体5与第二气体6之间的传热之后，第一气体5经由该导管被直接引导入加湿器4的第三容积10中。气体-气体换热器3的第二容积8的出口8b经由导管连接到加湿器4的第四容积11的入口11a。从气体-气体换热器3的第二容积8出发，在气体-气体换热器3中第一气体5与第二气体6之间的传热之后，第二气体6经由该导管被直接引导入加湿器4的第四容积11中。在此和在下文中，在附图中示出为彼此交叉导管的导管不一定在交叉点处相互流体连通。
加湿器4还包括水交换膜12，该水交换膜12布置在第三容积10与第四容积12之间，并且将第三容积10与第四容积12隔开。替代地或附加地，加湿器4可设计为管式加湿器或包括用于在第三容积10与第四容积12之间传递湿气的毛细管。在被引导在加湿器4的容积10和11中的气体之间的湿气传递可经由该水交换膜12来实现。在本实施例示例中，在将第二气体6引导入加湿器4的第四容积11中时的、被引导离开电极2a的第二气体6的湿度比在将第一气体5引导入加湿器4的第三容积10中时、待馈送到电极2a的第一气体5的湿度更高。为此，湿气在此在加湿器中从第四容积11中的第二气体6传递到第三容积10中的第一气体5上。水交换膜12对气体不可透，使得在加湿器4中不发生第一气体5与第二气体6的通过混合(through-mixing)。
已发现，由于在将气体5和6引导入加湿器4中之前，在气体-气体换热器3中气体5和6的温度的至少部分的平衡，在加湿器4中在气体5与6之间的湿气传递是特别高效的。因此，对于经其可传递相同水量的水交换膜12可设计得较小。此外，加湿器4的水交换膜12的使用寿命可通过对两种气体5和6中热量更高气体的在先冷却而延长，热量较高的气体通常是在气体-气体换热器3中的气体5，这是由压缩所致的加热。此外，在加湿器中，包含在气体5和6中的较冷气体中的湿气的不期望冷凝可通过加热气体5和6中较冷气体，即在将气体5和6引导入加湿器4中之前至少在气体-气体换热器3中对气体6进行加热来避免或减少。这也有助于经由加湿器4的水交换膜12更高效的湿气传递。
第二气体6经由加湿器4的容积11的出口11b被引导离开加湿器4。加湿器4的容积10的出口10b经由到燃料电池布置2的入口2d，具体是到反应容积2b的入口2d的导管来连接。从加湿器4出发，在加湿器4中第一气体5与第二气体6之间的湿气传递之后，第一气体5经由该导管被引导入燃料电池布置2中，并且经由反应容积2b馈送到电极2a。在加湿器4中对将引入到燃料电池布置2中的第一气体5的润湿主要用于避免燃料电池布置2的质子交换膜完全干透，该质子交换膜在此未示出，并且经由该质子交换膜实现燃料电池布置2的未示出的阳极与阴极2a之间的质子交换。
图1b示出另一气体馈送和排出系统100’，其是图1的气体馈送和排出系统100的变型。在此和在下文中，重复的特征在本文中设有相同的附图标记。因此，为了简洁起见，仅更详细地阐释系统100和100’之间的区别。
图1b的系统100’与图1a的系统100区别在于：用于引导第一气体5的第一旁通导管5.1，经由该第一旁通导管，在将第一气体5引导入气体-气体换热器3中之前，并且在对气体-气体换热器3、燃料电池布置2和加湿器4旁通的同时，第一气体5可至少部分地被引导入加湿器4的出口中，该出口与加湿器4的第四容积11流体连通。导管5.1中第一气体5的流动可由阀51控制。阀51可完全关闭，用于阻止气体在导管5.1中流动。
图1b的系统100’与图1a的系统100区别还在于：用于引导第一气体5的第二旁通导管5.2，经由该第二旁通导管，在将第一气体5引导入气体-气体换热器3中之前，并且在对气体-气体换热器3和加湿器4旁通的同时，第一气体5可至少部分地被引导入燃料电池布置2中，具体是经由燃料电池布置2的入口2d。导管5.2中第一气体5的流动可由阀52控制。阀52可完全关闭，用于阻止气体在导管5.2中流动。
图1b的系统100’与图1a的系统100区别还在于：用于引导第一气体5的第三旁通导管5.1，经由该第三旁通导管，在将第一气体5引导入气体-气体换热器3中之前，并且在对气体-气体换热器3旁通的同时，第一气体5可至少部分地被引导入气体-气体换热器3的出口中，具体是到第一容积7的出口中。导管5.3中第一气体5的流动可由阀53控制。阀53可完全关闭，用于阻止气体在导管5.3中流动。
图1b的系统100’与图1a的系统100区别还在于：用于引导第一气体5的第四旁通导管5.4，经由该第四旁通导管，在使第一气体5从气体-气体换热器3中出来之后并在将第一气体5引导入加湿器4中之前，且在对加湿器4旁通的同时，第一气体可至少部分地被引导入燃料电池布置2中，具体是经由燃料电池布置2的入口2。导管5.4中第一气体5的流动可由阀54控制。阀54可完全关闭，用于阻止气体在导管5.4中流动。
图1b的系统100’与图1a的系统100区别还在于：用于引导第一气体5的第五旁通导管5.5，经由该第五旁通导管，在使第一气体从加湿器4出来之后并在将第一气体引导入气体-气体换热器3a中之前，且在对燃料电池布置2旁通的同时，第一气体5可至少部分地被引导入离开燃料电池布置2的导管中。导管5.5中第一气体5的流动可由阀55控制。阀55可完全关闭，用于阻止气体在导管5.5中流动。
图1b的系统100’与图1a的系统100区别还在于：用于引导第二气体6的第一旁通导管6.1，经由该第一旁通导管，在使第二气体6从燃料电池布置2出来之后并在将第二气体6引导入气体-气体换热器3中之前，且在对气体-气体换热器3和加湿器4旁通的同时，第二气体6可至少部分地被引导入加湿器4的出口中，具体是到第四容积11的出口中。导管6.1中第二气体6的流动可由阀61控制。阀61可完全关闭，用于阻止气体在导管6.1中流动。
图1b的系统100’与图1a的系统100区别还在于：用于引导第二气体6的第二旁通导管6.2，经由该第二旁通导管，在使第二气体6从燃料电池布置2出来之后并在将第二气体6引导入气体-气体换热器3中之前，且在避免气体-气体换热器3的同时，第二气体6可至少部分地被引导入气体-气体换热器3的出口中，具体是到第二容积8的出口中。导管6.2中第二气体6的流动可由阀62控制。阀62可完全关闭，用于阻止气体在导管6.2中流动。
图1b的系统100’与图1a的系统100区别还在于：用于引导第二气体6的第三旁通导管6.3，经由该第三旁通导管，在使第二气体6从气体-气体换热器3中出来之后并在将第二气体6引导入加湿器4中之前，且在对加湿器4旁通的同时，第二气体6可至少部分地被引导入加湿器4的出口中，具体是到第四容积11的出口中。导管6.3中第二气体6的流动可由阀63控制。阀63可完全关闭，用于阻止气体在导管6.3中流动。
图1b的系统100’可包括旁通导管5.1、5.2、5.3、5.4、5.5、6.1、6.2和6.3中的一个、若干个或全部。在图1b中，彼此交叉并且在相应的交叉点处相互流体连通的导管由在交叉点处的黑点清晰地标记出。彼此交叉但未由在交叉点处的黑点标记的导管在交叉点处不相互流体连通。
图2示出另一气体馈送和排出系统200。图2的系统200与图1的系统100的区别在于：系统200包括布置在气体-气体换热器3上游的气体-液体换热器12。系统200的气体-液体换热器13用于在将第一气体5引导入气体-气体换热器3中之前在第一气体5与液体冷却剂14之间传热。第一气体5的温度调节可借助气体-液体换热器13进一步改进。在此，系统200的气体-液体换热器13用于在将第一气体5引导入气体-气体换热器3中之前对第一气体5进行冷却。
气体-液体换热器13包括用于引导第一气体的容积18。例如来自前述气体储存器的第一气体5经由入口13a被引导入容积18中。容积18的出口13b经由导管连接到气体-气体换热器的第一容积7的入口7a。冷却剂14在容积18中循环或通过容积18循环，使得在被引导在容积18中的第一气体5与冷却介质14之间的传热在容积18中实现。
在改型的实施例中，气体-液体换热器13可附加地也设计为用于在第二气体6与冷却剂14之间传热。为此，气体-液体换热器13可包括例如用于引导第二气体6的另一容积，冷却剂14可在该容积中循环或通过该容器循环。例如从燃料电池布置2出发的第二气体可被引导入气体-液体换热器13的该另一容积中，并且从气体-液体换热器13的该另一容积出发可被引导入气体-气体换热器3的第二容积8中，如参照系统100所描述的。
系统200的燃料电池布置2、气体-气体换热器3和加湿器4的设计以及它们相互之间的流体连通与图1a所示系统100中那些对应。具体地，系统200能可选地包括在图1b中示出的旁通导管5.1、5.2、5.3、5.4、5.5、6.1、6.2和6.3中的一个、若干个或全部。还有，如参照图1a的系统100所描述的，可借助系统200执行用于将第一气体5引导到电极2a上和用于引导第二气体6离开电极2a的方法。
图3示出另一气体馈送和排出系统300。图3的气体馈送和排出系统300和图2的系统200的区别在于：气体-液体换热器13布置在气体-气体换热器3与加湿器4之间。第一容积7的出口7b经由导管连接到气体-液体换热器13的入口13a。在气体-气体换热器3中第一气体5与第二气体6之间的热交换之后，第一气体被从气体-气体换热器3的第一容积7中引导出，经由该导管进入气体-液体换热器13的容积18中。气体-液体换热器13的出口13b经由导管连接到加湿器4的第三容积10的入口10a。在气体-液体换热器13中第一气体5与冷却剂14的热交换之后，第一气体5被从气体-液体换热器13的容积18中引导出，经由该导管到加湿器4的第三容积18中。
系统300的燃料电池布置2、气体-气体换热器3和加湿器4的设计以及它们相互之间的流体连通在其它方面与图1a所示系统100的那些对应。具体地，系统300能可选地、附加地包括在图1b中示出的旁通导管5.1、5.2、5.3、5.4、5.5、6.1、6.2和6.3中的一个、多个或全部。在此，旁通导管5.3可产生第一容积7的入口7a与气体-液体换热器13的出口13b之间的流体连通。因此，在将第一气体5引导入气体-气体换热器3中之前，并且在对气体-气体换热器3和气体-液体换热器13旁通的同时，第一气体5可以以直接方式、经由旁通导管5.3至少部分地被引导入加湿器4中，具体是到加湿器4的第三容积10中。如参照图1a的系统100所描述的，可借助系统300执行用于将第一气体5引导到电极2a上和用于引导第二气体6离开电极2a的方法。
图4示出另一气体馈送和排出系统400。图4的气体馈送和排出系统400与图1a的系统100的区别在于压缩机15和膨胀机16，该压缩机在将第一气体5引导入气体-气体换热器3中之前对第一气体5进行压缩，该膨胀机将第二气体的热能和/或第二气体的动能的至少一部分转化为膨胀机16的动能。藉由在将第一气体5引导入燃料电池布置2中和将第一气体5引导到电极2a上之前对第一气体5进行压缩，可提升第一气体5与电极2a之间的反应的反应速率。这可使在将化学能转化为电能时的燃料电池布置3的效率提高。
压缩机的入口15a可连接到例如前述气体储存器。压缩机的出口15b经由导管连接到气体-气体换热器3的第一容积的入口7a。从压缩机15出发，第一气体5被引导入气体-气体换热器3的第一容积7中。加湿器4的第四容积11的出口11b经由导管连接到膨胀机16的入口16a。在加湿器4中第一气体5与第二气体6之间的湿气传递之后，第二气体6被引导到膨胀机16上。
压缩机15可设计为具有压缩机叶轮的旋转压缩机。膨胀机可包括由第二气体6驱动的涡轮。由膨胀机16吸收的第二气体6的能量可至少部分地经由膨胀机16与压缩机15之间的联接17传递到压缩机15上，并且因此用于在压缩机中对第一气体5进行压缩。联接17可以是机械的联接，例如膨胀机16的涡轮与压缩机15的压缩机叶轮之间的皮带连接。联接17也可包括用于将膨胀机16的动能转化为电能的发电机。然后，该电能可例如驱动电动机，该电动机就其本身而言驱动压缩机15的压缩机叶轮。
在此和在下文中，替代于或附加于膨胀机也可设有热电式发电机，所述发电机构造为至少部分地将第二气体6的热能转化为电能。该热电式发电机可经由电导线连接到压缩机15，使得电能可从热电式发电机传递到压缩机15上。然后，由压缩机15对第一气体5进行的压缩可至少部分地借助从热电式发电机传递到压缩机15上的电能来执行。
系统400的燃料电池布置2、气体-气体换热器3和加湿器4的设计以及它们相互之间的流体连通在其它方面与图1a所述系统100中那些对应。具体地，系统400能可选地、附加地包括在图1b中示出的旁通导管5.1、5.2、5.3、5.4、5.5、6.1、6.2和6.3中的一个、多个或全部。如参照图1a的系统100所描述的，可借助系统400执行用于将第一气体5引导到电极2a上和用于引导第二气体6离开电极2a的方法。
图5示出另一气体馈送和排出系统500。压缩机15、膨胀机16和联接17的设计以及压缩机15和膨胀机16到气体-气体换热器3和到加湿器4的流体连通就像在图4的系统400的情况下那样实现。气体-液体换热器13的设计以及气体-液体换热器13到气体-气体换热器3的流体连通和到加湿器4的连接就像在图3的系统300的情况下那样实现。
系统500的燃料电池布置2、气体-气体换热器3和加湿器4的设计以及它们相互之间的流体连通在其它方面与图1a所示系统100的那些对应。具体地，系统500能可选地、附加地包括在图1b中示出的旁通导管5.1、5.2、5.3、5.4、5.5、6.1、6.2和6.3中的一个、多个或全部。在此，旁通导管5.3可产生第一容积7的入口7a与气体-液体换热器13的出口13b之间的流体连通。因此，在将第一气体5引导入气体-气体换热器3中之前，并且在对气体-气体换热器3和气体-液体换热器13旁通的同时，第一气体5可以以直接方式、经由旁通导管5.3至少部分地被引导入加湿器4中，具体是到加湿器4的第三容积10中。如参照图1a的系统100所描述的，可同样借助系统500执行用于将第一气体5引导到电极2a上和用于引导第二气体6离开电极2a的方法。
图6示出另一气体馈送和排出系统600。压缩机15、膨胀机16和联接17的设计以及膨胀机16到加湿器4的流体连通就像在图4的系统400的情况下那样实现。气体-液体换热器13的设计以及气体-液体换热器13到气体-气体换热器3的流体连通就像在图2的系统200的情况下那样实现。压缩机15的出口15b经由导管连接到气体-液体换热器13的入口13a，使得在压缩机15中被压缩的第一气体5从压缩机15出发，被引导入气体-液体换热器13中，并且从此再到气体-气体换热器3的第一容积7中。
系统600的燃料电池布置2、气体-气体换热器3和加湿器4的设计以及它们相互之间的流体连通在其它方面与图1a所示系统100的那些对应。具体地，系统600能可选地、附加地包括在图1b中示出的旁通导管5.1、5.2、5.3、5.4、5.5、6.1、6.2和6.3中的一个、多个或全部。如参照图1a的系统100所描述的，可同样借助系统600执行用于将第一气体5引导到电极2a上和用于引导第二气体6离开电极2a的方法。