借助产物水的蒸发/冷凝在燃料电池系统的阴极路径中的热传递的制作方法

本发明涉及一种根据独立装置权利要求的前序部分所述的燃料电池系统。此外，本发明还涉及一种用于运行相应燃料电池系统的方法。

背景技术：

1、在具有燃料电池系统的驱动系统中，来自环境空气的氧气通常被用于在燃料电池中与氢气反应成水或水蒸气和从而获得电能。环境空气通常借助一个或多个压缩器从周围环境中吸入并且以压缩的供入空气形式通过阴极路径的供气管路提供给燃料电池系统。环境空气必须被压缩，以便确保足够的氧气分压用于化学反应。此外，环境空气必须被压缩，以便确保水管理(即防止燃料电池系统中的隔膜的过度除湿，因为温暖的空气在较高压力下比较低压力下吸收更少的水蒸气，并且用于导出产物水)。此外，环境空气必须被压缩，以便克服系统和部件中的压力损失以及确保在堆垛中尽可能均匀的分布。至少一个压缩器可以借助涡轮连接到阴极路径的废气管路上，以便通过耦合到压缩器轴中来利用废气流动能的一部分。如果在阴极路径中需要较高的运行压力，则这与相应地增加在空气压缩时的费事(较高的功率)相关。这导致阴极路径中的经压缩的供入空气的温度升高。在此产生的热量必须又被导出，以便在堆垛中或也在可选地存在加湿器中保持最高允许的进入温度。

技术实现思路

1、根据第一方面，本发明设置一种具有独立装置权利要求的特征、尤其来自特征部分的特征的燃料电池系统。此外，根据第二方面，本发明提供一种用于运行相应燃料电池系统的方法。本发明的另外的优点、特征和细节由从属权利要求、说明书和附图得出。在此，与根据本发明的燃料电池系统相关地描述的特征和细节当然也适用于根据本发明的方法，反之亦可，使得关于本发明各方面的披露始终相互参考或能够相互参考。

2、本发明设置一种燃料电池系统，具有至少一个燃料电池和一个阴极路径，该阴极路径用于给至少一个燃料电池提供呈供入空气形式的含氧反应物，其中，阴极路径具有用于给至少一个燃料电池提供供入空气的供气管路和用于从至少一个燃料电池导出废气的废气管路，并且其中，在阴极路径的供气管路和废气管路之间设置至少一个热交换器，以便将热能或热量从供入空气传递至废气，尤其间接地传递或者说在供入空气和废气之间没有物质交换地传递。为此，根据本发明设置，热交换器实施为通过产物水的蒸发和冷凝以及借助供入空气通过热交换器的多个流将热量传递给废气通过热交换器的一个流。供入空气和废气与热交换器中的产物水没有物质交换地被引导通过热交换器。为此设置在下面所描述的管。产物水在热交换器中通过供入空气的蒸发和废气的冷凝进行再循环。

3、根据本发明的燃料电池系统可以以具有呈单个燃料电池、优选pem燃料电池的多个堆叠的重复单元的燃料电池堆叠、所谓的燃料电池堆垛的形式实施。

4、根据本发明的燃料电池系统可以有利地用于移动应用，例如在机动车中或用于固定应用，例如在发电机设备中。

5、热交换器优选无源地并且因此不需要辅助器件，例如冷却介质泵传递热量。在本发明的意义上也可以省去用于将冷却介质输送至热交换器的附加的管路系统，所述冷却介质必须通借助冷却介质泵进行循环。在移动应用中，例如在机动车中，这有利地导致车辆冷却器的卸载，因为热量被耦合到废气中。

6、根据本发明的热交换器可以作为一个模块提供。此外可以考虑，根据本发明的热交换器可以集成到阴极路径或阴极路径的组件中，例如集成到压缩器、尤其涡轮驱动的压缩器中提供。根据本发明的热交换器与水喷射系统在结构组中的结构设计上的组合也可以在本发明的范畴内实施。

7、本发明的构思在于，借助通过热交换器的至少三个介质流(两个供入空气流和一个废气流)或多个介质流实现通过蒸发和冷凝水，优选产物水从供气管路到废气管路中的热传递。然而，介质流不与作为热交换器的工作介质的产物水接触。供入空气的至少两个或多个介质流可以尤其在供气管路中的每个压缩器级之后为了冷却目的被引导通过根据本发明的热交换器。供入空气的至少两个或多个介质流可以有利地借助产物水的蒸发/冷凝实现向废气介质流的共同的热传递，如果存在的话，优选在涡轮之前。在没有涡轮的系统中，热量可以在任意位置适当地耦合到废气中，以便使冷却回路卸载。

8、供气管路的尤其流体技术上相对于产物水封闭的多个管路区段(是指至少一个第一管和一个第二管)和废气管路的尤其流体技术上相对于产物水封闭的管路区段(是指一个第三管)穿过根据本发明的热交换器延伸。供气管路可以说在此形成通过热交换器的至少一个回路，其中，供气管路的两个管路区段穿过热交换器延伸。以这种方式，供入空气可以在多个部位上被引入到热交换器中，以便能够实现热量逐级地传递到废气中。在此有利地，供入空气在每个压缩器级之后被冷却。

9、在此，产物水可以作为热交换器的工作介质。产物水在燃料电池系统中的多个部位上可供使用并且因此可以以有利的方式借助根据本发明的热交换器用于热传递。产物水在此可以直接从燃料电池系统的废气路径中获得。此外，产物水可以暂存在水箱中。由此可以实现产物水获取和产物水利用在时间上的脱耦。

10、根据本发明的通过产物水的蒸发和冷凝的尤其无源的热传递，尤其在高的最终压缩温度下，即在较高的阴极压力下可以是有利的。产物水的再循环在热交换器内发生。水蒸气在热交换器内上升、冷凝并滴下。产物水的蒸发由加热的供入空气引发。通过蒸发，产物水吸收了供入空气的热量。产物水的冷凝由较冷的废气引发。通过冷凝，水蒸气将热量释放给废气。冷凝水滴下并且又聚集在热交换器的下部中并且重新可供用于蒸发。

11、此外，有利的是，热传递仅单向地(与在无源的气体-气体热交换器的情况下不同地)进行，以避免不希望的冷凝效应。

12、在本发明的范畴内可以考虑，热交换器中的产物水液位可以被调节，以便将逸出的水蒸气通过新的产物水代替。为此，根据本发明的热交换器可以例如具有配量阀和/或输送泵，用于补充产物水，例如从水箱中补充。如果水箱定位在热交换器上方，还可以以简单的方式补充产物水，而不需要输送泵。因此，水可以通过高度差(没有泵，只有简单的开/关截止阀)提供到热交换器中。

13、此外可以考虑，根据本发明的热交换器可以与相同或不同类型的其它热交换器、气体-液体或气体-气体热交换器结合，尤其用于导出剩余的热量。

14、可选地，本发明可以设置，热交换器可以根据需要排空到水箱中。这可以借助泵通过出口通道实现。此外可以考虑，热交换器可以抗冰压地实施。

15、此外，根据本发明的通过产物水的蒸发和冷凝的尤其无源的热传递在具有借助涡轮在废气管路中进行能量回收的燃料电池系统中是有利的。借助加热的废气可以提高涡轮功率和从而减少用于空气压缩系统的电驱动功率。

16、在本发明的帮助下，可以在涡轮之前实现提高的热传递，因为两个或甚至多个热源蒸发产物水。因此可以显著提高涡轮功率。从而在燃料电池系统和/或车辆中进一步减少用于空气压缩系统的电驱动功率和/或卸载冷却回路。

17、有利地，根据本发明的热交换器不需要次级回路运行，用于从供气管路到废气管路的优化的热传递。

18、根据本发明的热交换器是结构空间优化的，因为多流/多介质热交换器可以合并多个双流热交换器。

19、然而，本发明在没有能量回收的燃料电池系统中也可以是有利的，从而使冷却回路卸载。

20、无源的热交换器在本发明的意义上有利地不需要附加地接入到终端设备，例如车辆或发电机的冷却回路中。由此获得如下优点：根据本发明的热交换器可以简单地集成在燃料电池系统内。由此也获得另一优点：终端设备的冷却回路可以被卸载。此外，不需要附加的促动装置，由此提高了燃料电池系统的能量效率。此外，通过利用加热的废气驱动涡轮，可以提高涡轮的效率。

21、此外，在燃料电池系统中，本发明可以设置，热交换器构造为用于将热能在没有电能供应的情况下无源地和/或间接地从供入空气传递至废气，优选在供入空气和废气之间没有物质交换地传递。因此，可以减少燃料电池系统中的寄生的能量成本并且可以提高燃料电池系统的效率。

22、此外，在燃料电池系统中，本发明可以设置，热交换器构造为用于将能量从供入空气单向地传递至废气。通过限定热传递方向，有利地不能实现热传递方向的逆转。因此，与无源的气体-气体热交换器相比，可以避免废气通道中的冷凝问题。

23、此外，在燃料电池系统中，本发明可以设置，热交换器具有至少一个例如呈管束形式的第一管和一个例如呈管束形式的第二管，所述第一管和第二管构成供气管路的两个部分(从进入热交换器中的多个尤其密封的入口到从热交换器出来的多个尤其密封的出口)，和/或热交换器具有(至少)一个例如呈管束形式的第三管，所述第三管构成废气管路的穿过热交换器布设的一部分(从进入热交换器中的一个尤其密封的入口到从热交换器出来的一个尤其密封的出口)。在此，这些管优选地能够相互平行地延伸。因此可以确保，含氧反应物的通流可以在供气管路和/或在废气管路中通过根据本发明的热交换器发生。

24、此外，在燃料电池系统中，本发明可以设置，热交换器的第一管、第二管和/或第三管具有外表面和内表面，其中，外表面的面积大于内表面的面积，和/或其中，外表面具有肋状结构、片状结构和/或凸块结构，和/或其中，外表面具有连续的、例如螺旋状的热传递元件或周期性地布置的多个热传递元件。以这种方式，含氧反应物和产物水之间的热传递在热交换器内可以通过管有效地构型。由此可以在第一管上改善在作为传递介质的产物水内的蒸汽泡的形成。产物水可以通过蒸发将热量向上传递至第二管。气态的产物水在第二管上再次冷凝并且由此将热量释放给废气。通过第二管上的外表面可以再次改善水蒸气的冷凝。此外，所述热传递元件或所述多个热传递元件可以具有一个尤其沿含氧反应物的流动方向倾斜的上侧，以便有利于产物水沿从下向上或从上向下的方向的蒸发和冷凝。

25、此外，在燃料电池系统中，本发明可以设置，热交换器(本身)的第一管、第二管和/或第三管在热交换器内具有多个绕组和/或多个分支管路和/或多个管束。以这种方式可以灵活地调整和有利地根据需要提高传递程度。

26、此外，在燃料电池系统中，本发明可以设置，热交换器具有封闭的壳体，其中，壳体具有通风元件，尤其呈无源阀，优选在相对于周围环境过压时打开的止回阀或可切换阀的气体可透过膜的形式，和/或其中，壳体具有尤其包括喷射部位、配量阀和/或配量泵的填充元件，其中，尤其填充元件具有用于可控制和/或可调节地补充产物水的控制触点。在较高的温度下，水开始蒸发。通过通风元件可以实现相对于周围环境的压力平衡，以便不减慢蒸发。对通过通风元件逸出的产物水的充注或补充可以通过填充元件进行。填充元件可以有利地与水箱连接。水箱又可以具有配量阀和/或配量泵或者说泵/喷嘴单元。在填充元件上可以有利地设置优选可电接触的控制触点，该控制触点例如能够通过控制器控制。对热交换器的补充也可以在没有泵支持的情况下实现，其方式是，将水箱布置在热交换器上方并且借助重力(必要时借助截止阀)进行补充。取水或可能的排空(例如在有霜冻危险的情况下，如果热交换器不能抵抗冰压地实施)可以通过排水部位实现。水可以又供应给水箱。

27、此外，在燃料电池系统中，本发明可以设置，至少一个热交换器具有一个排水部位，以便排空热交换器，尤其在有霜冻危险的情况下，其中优选地，热交换器可以排空到水箱中，和/或至少一个热交换器尤其在排水部位处具有一个可切换阀，优选可电接触的控制触点。以这种方式可以提供热交换器的改善的功能性。此外，由此在有霜冻危险的情况下可以确保热交换器的运行安全。

28、此外，在燃料电池系统中，本发明可以设置，热交换器连接到水箱上，其中，水箱实施为废气管路的水箱、水喷射系统的水箱、排水管路的水箱或与这些水箱中的至少一个连接，和/或其中，水箱具有排水阀，和/或水箱布置在热交换器上方。因此可以实现热交换器的补充，尤其时间上独立于产物水获取。

29、此外，在燃料电池系统中，本发明可以设置，在阴极路径的供气管路中设置水喷射系统(具有相应的阀)，其中，热交换器在阴极路径的供气管路中布置在水喷射系统之前。借助水喷射系统可以加湿供入空气。在此，水喷射系统的优点在于，其可以确保对供入空气的湿度进行可简单控制的调节并且还可以有助于对供入空气的温度调节。无源热交换器和借助水喷射不但调整湿度，而且调整温度的可能性的组合以有利的方式互补。水喷射附加地也可以在热力学上优化压缩过程。

30、此外，在燃料电池系统中，本发明可以设置，在阴极路径的供气管路和废气管路之间设置加湿器，其中，热交换器在阴极路径的供气管路中布置在加湿器之前以及在阴极路径的废气管路中布置在加湿器之后。加湿器的优点可以在于，来自废气的湿度可以直接被用于加湿供入空气。

31、此外，在燃料电池系统中，本发明可以设置，在阴极路径的供气管路中设置第一压缩器，其中，热交换器在阴极路径的供气管路中布置在第一压缩器之后。因此，热交换器可以以有利的方式吸收经压缩的供入空气的热量。

32、此外，在燃料电池系统中，本发明可以设置，在阴极路径的供气管路中设置第一压缩器和第二压缩器，其中，热交换器在阴极路径的供气管路中布置在第一压缩器之后和第二压缩器之后。在此，可以增大从供入空气到废气中的热传递。同时，在此可以冷却在两个压缩器中的每个压缩器之后的经压缩的供入空气。冷却的空气能够更简单地压缩，使得第二压缩器可以以更好的效率运行和/或可以设计得更小。

33、此外，在燃料电池系统中，本发明可以设置，在阴极路径的供气管路中设置第一压缩器和第二压缩器，其中，第二压缩器能够通过设置在废气管路中的涡轮驱动。涡轮可以有利地布置在热交换器之后，使得通过热交换器加热的废气到达涡轮并且有效地驱动涡轮。

34、此外，在燃料电池系统中，本发明可以设置，在阴极路径的供气管路中设置第一压缩器和第二压缩器，其中，第一压缩器和第二压缩器可以具有两个独立的驱动轴或一个共同的驱动轴。因此，根据结构设计和/或根据现有的结构空间，可以提供燃料电池系统的合适的结构。

35、此外，在燃料电池系统中，本发明可以设置，第一压缩器构造为多流或多级的压缩器，和/或第一压缩器具有两个单个压缩器，它们可以具有两个单独的驱动轴或一个共同的驱动轴。由此可以提高供入空气的压缩程度。由此也可以灵活地构型燃料电池系统的结构。

36、此外，在燃料电池系统中，本发明可以设置，在阴极路径的供气管路中布置至少一个另外的任意类型的热交换器(也称为heatexchanger)，例如在热交换器的每个通路之后，该通路例如可以连接到车辆的冷却回路上。因此可以提高热传递程度。

37、本发明设置一种用于运行燃料电池系统的方法，该燃料电池系统具有至少一个燃料电池和用于将呈供入空气形式的含氧反应物提供给至少一个燃料电池的阴极路径，其中，阴极路径具有用于给至少一个燃料电池提供供入空气的供气管路和用于从至少一个燃料电池导出废气的废气管路，并且其中，在阴极路径的供气管路和废气管路之间设置至少一个热交换器，以便将热能从供入空气传递至废气。为此，根据本发明设置，热交换器通过产物水的蒸发和冷凝并且借助通过至少一个热交换器的供入空气的多个流将热量传递给废气的一个流。借助根据本发明的方法实现上面借助根据本发明的燃料电池系统已经描述的相同优点。这些优点当前已经充分提及。