燃料电池系统和用于燃料电池系统中废气再循环的方法与流程

本发明涉及一种具有用于废气再循环的再循环部段和射流泵的燃料电池系统和一种用于在燃料电池系统内废气再循环的方法。

背景技术：

在现有技术中知道如下燃料电池系统，其中，被预热的流体被再循环，以便给上游的部段或构件调温或者影响气体混合物。因此，de102006037799a1和de102015213913a1分别公开了一种用于燃料电池阳极废气的再循环装置。尤其在现有技术中公开了，借助再循环风扇来将再生运行中的燃料电池(soec)的废气再循环。在借助soec燃料电池堆的高温电解中，在燃料侧的气体输送尤其伴随水蒸汽和二氧化碳进行。为了避免由燃料侧构件的氧化所引起的降解，力求还原性气氛。通过借助于再循环风扇将soec废气再循环至燃料侧供应部段，可以产生还原性气氛。但在已知解决方案中不利的是，再循环风扇具有有限的温度应用范围，因为再循环风扇的构件、尤其是轴承和润滑是对温度敏感的并且需要附加冷却。此外，这样的风扇降低了系统效率，因为它们具有低效率且关于其应用而言耗用许多电能。

技术实现要素：

本发明的任务是至少部分考虑前述的问题。本发明的任务尤其是提供一种具有用于废气再循环的再循环部段和射流泵的燃料电池系统和一种用于燃料电池系统中废气再循环的方法，其对高温具有更高的耐受性。

前述任务通过权利要求书来完成。尤其是，前述任务通过根据权利要求1的燃料电池系统以及根据权利要求12的方法来完成。本发明的其它优点来自从属权利要求、说明书和附图。在此，关于燃料电池系统所描述的特征和细节显然也关于本发明的用于在燃料电池系统中废气再循环的方法而言是适用的，反之亦然，因此关于对这些发明方面的公开内容总是或可以相互参照。

根据本发明的第一方面，提供一种燃料电池系统，其具有用于废气再循环的再循环部段和射流泵。燃料电池系统具有至少一个带有至少一个阴极部和至少一个阳极部的燃料电池堆。另外，燃料电池系统具有用于供应空气至燃料电池堆阳极部的空气供应部段、用于从燃料电池堆阳极部排走排气的排气部段以及用于将至少一种主介质特别是气态主介质送至燃料电池堆阴极部的供应部段、用于将废气从燃料电池堆阴极部排出的废气排出部段。另外，燃料电池系统具有用于输送至少一种主介质的泵，其中，废气排出部段通过再循环部段与在泵下游的供应部段流体连通相连，用以废气再循环，其中，再循环部段通过射流泵与供应部段相连，以便将再循环的废气作为射流泵的副流送入作为射流泵主流的至少一种主介质。

本发明的燃料电池系统因此具有用于废气再循环的再循环部段和射流泵。射流泵具有至少两个入口和至少一个出口，用于连至流体连通管线或其它构件。射流泵的工作方式规定，主流从射流泵的第一入口流动至射流泵的出口。副流通过射流泵的第二入口被供应给主流。主流在射流泵中经历压力降和加速。主流的抽吸作用也加速了副流，这些流混合且以混合流的方式从射流泵的出口流出。因在射流泵内的抽吸作用而在副流中不需要其它输送机构。在本发明的燃料电池系统中，借助射流泵将作为副流的再循环废气与作为主流的主介质混合。除了射流泵，再循环部段不必再有用于废气再循环的其它输送机构。但再循环部段如随后还描述地可以包括其它的控制构件和/或输送构件和/或组件。射流泵的出口能够直接地或借助管线与燃料电池堆阴极部的供应部段相连。根据本发明，主介质最迟在进入燃料电池堆阴极部时是气态的或基本呈气态。射流泵因明显更大的温度应用范围而相比于再循环风扇是特别有利的。射流泵最好不具有任何可运动的构件，因此不需要射流泵维护成本。燃料电池系统的泵将主介质输送至射流泵且还产生期望的主介质压力水平。这样设计的燃料电池系统有利地允许借助再循环部段和射流泵进行废气再循环。因此可以提供来自燃料电池系统本身的在燃料电池堆供应部段内的有利的还原性气氛，即，没有额外通入附加有用气体，同时保证构件的较大温度耐受性和高的构件故障安全性。因此在本发明的燃料电池系统中改善了系统效率。

根据本发明的一个有利改进方案而可行的是，在燃料电池系统中在泵和射流泵之间设置用于从至少一种液态主介质产生至少一种气态主介质的蒸发器单元。有利地，在本发明范围内，水被用于液态主介质，从而气态主介质即为水蒸汽。这样设计的燃料电池系统允许在借助蒸发器单元蒸发之前通过泵实现液态主介质的压力升高。由此实现特别有利且高效的主介质压力升高，并且相比于在气态下的主介质的压力升高需要较低的能量支出和费用支出。

根据本发明的一个特别有利的改进方案而可行的是，在燃料电池系统中，蒸发器单元被设计成多级、尤其是两级的蒸发器单元。相应的蒸发器单元可以适配于燃料电池系统的需求，因此，燃料电池系统效率提高，以及材料费用和成本被降低。

根据本发明的一个也有利的改进方案而可行的是，在燃料电池系统中，该蒸发器单元是电蒸发器单元或换热-蒸发器单元，其中，该换热-蒸发器单元尤其被燃料电池系统的废气和/或排气加热。通过进一步调整该蒸发器单元，因此可以规定了蒸发技术实现方式。因此，主介质的蒸发可以通过借助电蒸发器单元的电能供应来进行，并且替代地或附加地例如通过来自燃料电池系统本身的热能。因此可以有利地由使用者选择应该将哪个资源用于蒸发主介质，因此可以最佳利用现有资源并且提高燃料电池系统效率。

根据本发明的另一个有利改进方案而可行的是，在燃料电池系统中在所述泵和射流泵之间设置用于加热至少一种液态主介质的第一换热器，其中，所述至少一种被加热的主介质通过第一换热器被加热，使得被加热的主介质通过射流泵内的压力降而蒸发。作为前一段落的替代，液态的主介质根据本发明的这个实施方式未通过蒸发单元被蒸发，而是通过至少一个第一换热器被加热。液态的主介质在此被加热到略低于蒸发温度的温度，从而在进入射流泵时因压力降(这可以降低主介质蒸发温度)使主介质蒸发。还有，蒸发过程可以因混合副流的热能而得到辅助，其作为燃料电池堆的废气流在正常运行中具有高温度水平。因此可以将用于蒸发器单元的费用和成本降低至用于至少一个第一换热器的较低费用和成本。

根据本发明的一个改进方案而可行的是，在燃料电池系统中在射流泵与燃料电池堆的供应部段之间设置至少一个尤其带有催化器的第二换热器，用于加热主介质、尤其是气态主介质。因此在本发明的燃料电池系统中，混合的主流和副流在下游在射流泵出口之后并且在上游在燃料电池堆阴极部的供应部段之前通过换热器被加热。通过这样布置的换热器，由射流泵的主流和副流混合而成的气体混合物可以被加热到用于燃料电池堆的最佳温度，并且有利地提高燃料电池系统的效率。

在本发明的燃料电池系统的一个有利设计变型中可行的是，至少一个第一阀布置在再循环部段处、尤其在从再循环部段到射流泵的过渡部处，以调节废气再循环率。作为射流泵结构特征的补充，废气再循环率可以借助至少一个第一阀被调节。射流泵的内径连同再循环部段的摩擦损耗在很大程度上预先规定了燃料电池系统的再循环率。但射流泵的直径是恒定的并且只能在技术上费事地被调整。利用至少一个第一阀，燃料电池系统的再循环率能够有利地被调整和优化。

在本发明燃料电池系统的一个也有利的变型设计中可能的是，该射流泵具有至少一个用于调节主流和/或副流的第二阀。类似于前一段落，可以利用至少一个第二阀来调节主流与副流之间的比例，并且有利地加以调校和优化。替代地或附加地，主流与副流之间的比例的调设可以通过射流泵内径的结构设计来确定。但是，利用至少一个第二阀不仅可以实现流比例的可调节性，也保持因缺少活动构件造成的射流泵的高防故障性。

在本发明燃料电池系统的另一个有利设计变型中可行的是，空气供应部段具有用于调节在空气供应部段中输送的空气量的空气供应风扇。在本发明的燃料电池系统的阳极部内，空气被用来冲扫或排走由水裂解/二氧化碳裂解而成的氧气。所述空气在工作中富含氧气地离开燃料电池系统的阳极部。为了控制空气供应部段中的空气量或排气部段中的排气量并且优化燃料电池系统，有利地可以设置空气供应风扇。

此外，在本发明的燃料电池系统中可行的是，燃料电池系统的有用气体供应部段给所述射流泵的主流和/或副流供应尤其来自储存空间的至少另一种气体或气体混合物和/或供应由排气部段尤其通过另一个再循环部段被再循环的排气。作为另一个有利变型，这样设计的燃料电池系统用于可能提高例如主流的温度或用于本发明意义上通过例如从排气部段至射流泵的再循环部段进一步影响气体混合物。通过该另一个再循环部段，可以将氧气计量加入主流。可调节的氧气量随后可以与也被再循环的废气和主流反应且因此保证很高效的热输入。所述反应可以通过具有催化剂涂层的部件来加速。但在此必须要注意，进一步保证燃料电池堆所需要的还原性气体量。替代地或附加地，有用气体尤其可以从储存单元被供应给主流和/或副流。

可能进一步有利的是，在本发明的燃料电池系统中，在再循环部段中设有再循环风扇，用于调节在再循环部段中再循环的燃料电池堆废气量。尽管通过射流泵不需要其它输送机构用于废气再循环，但再循环风扇可以作为附加解决方案被集成到燃料电池系统中以实现附加输送。

根据本发明的另一方面，提供一种在根据第一方面的燃料电池系统中的废气再循环方法。该方法具有以下步骤：

-通过泵输送主介质，

-经由空气供应部段将空气送入燃料电池堆的阳极部，

-将主介质经过供应部段送入燃料电池堆的阴极部，

-将该废气从阴极部的废气排出部段经由再循环部段再循环至阴极部的供应部段，

-在射流泵内将作为副流的再循环废气与作为主流的主介质混合，

-通过供应部段将混合的主流和副流送入燃料电池堆的阴极部。

视燃料电池系统的实施方式的不同，本发明的方法可以规定通过泵将主介质输送入例如蒸发器单元和/或至少一个第一换热器。这样设计的方法允许借助再循环部段和射流泵进行废气再循环。因此可以提供来自燃料电池系统本身的在燃料电池堆的供应部段内的有利的还原性气氛，同时保证高的温度耐受性和高的构件故障安全性。因此，本发明的方法也带来与以上所明确描述的一样的优点。前述的步骤可以按照所示顺序或其它顺序来执行。这些方法步骤可以一次或多次地且依次或并行地执行。本发明的方法提高燃料电池系统的系统效率。

在本发明的一个有利改进方案中可能的是，在一种方法中，燃料电池系统的再循环率通过控制单元被控制。监控单元可以包括至少一个传感器、分析单元、计算机单元和调节单元。燃料电池系统的再循环率的控制是本发明方法的有利扩展，因为让使用者可以监控、任意调整和优化燃料电池系统。

附图说明

从以下对如图示意性所示的本发明各不同实施例的说明中得到改进本发明的其它措施，分别示意性示出了：

图1示出燃料电池系统的结构框图，燃料电池系统具有射流泵、再循环部段和蒸发器单元，

图2示出燃料电池系统的结构框图，燃料电池系统具有射流泵、再循环部段、蒸发器单元、第二换热器和另一个再循环部段，

图3示出燃料电池系统的结构框图，燃料电池系统具有射流泵、再循环部段、空气供应风扇、第一换热器、第二换热器和再循环风扇，

图4示出燃料电池系统的结构框图，燃料电池系统具有射流泵、再循环部段、第一换热器、第二换热器、第一阀、储存空间和另一个再循环部段。

具体实施方式

具有相同的功能和工作方式的零部件在图1-4中分别带有相同的附图标记。

在图1中示意性示出本发明的燃料电池系统100的结构框图，燃料电池系统具有射流泵16、再循环部段14和蒸发器单元11。主介质6被泵12输送至蒸发器单元11且承受压力水平。在蒸发器单元11的下游，气态主介质6作为主流18进入射流泵16。通过再循环部段14被再循环的废气8作为副流20进入射流泵16。主流18在射流泵16内经受压力降并被加速。副流20在射流泵16内被主流18加速，这两股流18和20共同以混合流形式流出射流泵16。混合流18和20在射流泵16下游经由供应部段7进入再生运行燃料电池堆1的阴极部k。在阳极部a中，空气2通过空气供应部段3被输送。废气8从废气排出部段9流出。在使用水作为主介质6时，例如富含氢的废气8从废气排出部段9流出。废气8部分通过再循环部段14被再循环。富含氧气的排气5从排气部段4流出。这样设计的燃料电池系统100允许利用燃料电池系统100本身在燃料电池堆1的供应部段7内形成有利的还原性气氛，同时可以保证构件的大的温度耐受性和高的故障安全性。

图2示意性示出本发明的燃料电池系统100的结构框图，燃料电池系统具有射流泵16、再循环部段14、蒸发器单元11、第二换热器22和用于排气5再循环的另一个再循环部段14。作为图1的实施方式的补充，图2示出排气5经由另一个再循环部段14作为第二副流20进入射流泵16。副流20也像第一副流20那样被主流18在射流泵16中加速，并且与主流18相互混合地流出射流泵16。图2的燃料电池系统100的实施方式也示出在用于在再生运行模式下的燃料电池堆1的阴极部k的供应部段7上游加热气态主介质6的第二换热器22。通过这样布置的第二换热器22，由来自射流泵16的主流18和副流20混合成的气体混合物可被加热到用于燃料电池堆1的最佳温度且有利地提高燃料电池系统100的效率。

图3示意性示出本发明的燃料电池系统100的结构框图，燃料电池系统具有射流泵16、再循环部段14、空气供应风扇28、第一换热器21、第二换热器22和再循环风扇34。代替图1和图2的燃料电池系统100，液态主介质6根据本发明的这个实施方式未通过蒸发单元11被蒸发，而是通过第一换热器21被加热。液态主介质6在此被加热到略低于蒸发温度的温度，从而因在进入射流泵16时的压力降(这可能降低主介质6的蒸发温度)而使该主介质6蒸发。因此可以将用于蒸发器单元11的费用和成本降低到用于第一换热器21的较低的费用和成本。为了控制空气供应部段3内的空气2量和排气部段4内的排气5量和为了优化燃料电池系统100，优选设有空气供应风扇28。再循环风扇34可以作为附加解决方案被集成到燃料电池系统100中以实现附加输送。

图4示意性示出本发明的燃料电池系统100的结构框图，燃料电池系统具有射流泵16、再循环部段14、第一换热器21、第二换热器22、第一阀24、储存空间32和用于排气5再循环的另一个再循环部段14。作为射流泵16的结构特征的补充，废气8的再循环率rr可以借助第一阀24被调节。从储存空间32可以给射流泵16的主流18和/或副流20供应至少另一种气体或气体混合物。图4示出了气体从储存空间32被送入再循环排气5的副流20中。

本发明除了所示实施方式外允许其它的设计原理。就是说，本发明不应被局限于参照附图所解释的实施例。

附图标记列表

1燃料电池堆

2空气

3空气供应部段

4排气部段

5排气

6主介质

7供应部段

8废气

9废气排出部段

11蒸发器单元

12泵

14再循环部段

16射流泵

18主流

20副流

21第一换热器

22第二换热器

24第一阀

26第二阀

28空气供应风扇

30有用气体供应部段

32储存空间

34再循环风扇

36控制单元

100燃料电池系统

a阳极部

k阴极部

rr再循环率