燃料电池系统及用于从燃料电池系统去除水的方法与流程

本发明涉及一种燃料电池系统，该燃料电池系统包括至少一个燃料电池堆和用于向燃料电池堆输送流体介质和/或用于从燃料电池堆导走流体介质的通道系统，第一集水区，在燃料电池系统的第一运行姿态范围中，水聚集在该第一集水区中，以及第一除水接口，水能通过该第一除水接口从第一集水区去除。

背景技术：

1、燃料电池系统尤其可以包括聚合物电解质膜(pem)燃料电池。

2、在这种燃料电池的运行中，水管理在燃料电池的性能、运行稳定性和耐用性方面是决定性因素。在pem燃料电池的运行中落在阴极侧的产物水由于浓度梯度通过聚合物膜扩散到阳极侧。为了能够实现将流体介质均匀且充足地供应到燃料电池的电化学活性的区域中，必须在燃料电池的运行中导走这些水。这种对水的导走通过所谓的“排水(drain)”过程来实现。

3、从燃料电池系统的通道系统中去除水通常通过布置在阳极侧的通道系统的最低点处的流出点来进行。当燃料电池系统的运行姿态发生变化时，尤其是当燃料电池系统被布置在车辆中且车辆上坡行驶时，该流出点会移位到通道系统中的较高的部位处。于是，在这种运行状态下，落在通道系统中的水就无法再完全被导走，这可能会直接地或在运行姿态自发改变的情况下导致各个燃料电池或燃料电池堆的整个区域发生意外浸水。此外，在将包含有燃料电池系统的车辆进行停放时，必须注意的是从燃料电池堆中完全清除仍存在的产物水，这是因为水在低于0℃的温度时且在足够长的静止持续时间之后将发生冻结。如果所生成的冰位于不利的部位处，则会在重新启动时限制流体介质向燃料电池堆的供应，这会妨碍成功的霜冻启动。

4、各个燃料电池或燃料电池堆的整个区域的浸水对燃料电池系统的运行稳定性产生直接的负面影响，这是因为被液态水所占据的区域不再被充足地供应阳极气体或阴极气体。

5、如果流出点不处于通道系统的最低部位，则干燥程序鉴于潜在发生的霜冻启动也只会导致有限的干燥效果，这是因为燃料电池系统中始终留有残余水。

6、此外，燃料电池的聚合物膜的渗透性导致意外的从阴极向阳极的气体扩散过程。由于存在浓度梯度，使得燃料电池系统的阳极侧上的惰性气体(例如氮气)的份额将随着该燃料电池系统的运行寿命而提升，这将抑制氧化过程并由此降低了燃料电池的电化学活性。为了避免这种活性损失，必须以定期的运行间隔对阳极气体腔进行吹扫。这种吹扫过程也被称为“净化(purge)”过程。

7、对于“净化”过程来说，使气体吹扫通过燃料电池系统的通道系统的接口必须始终位于气体腔中，并且不允许被水覆盖。

8、除了上述相当缓慢地进行的浓度变化过程外，在燃料电池系统的运行中在某些边界条件下会发生液态水自发积蓄到燃料电池系统的气体分配结构中。这种水聚集在局部降低了阳极气体或阴极气体的供应，并且必须通过气体压力冲击从相关的区域非常快速地清除掉，以便确保燃料电池系统的运行稳定性。通常，为此同样实施吹扫过程，该吹扫过程在燃料电池堆上产生了短暂的压力梯度。即使在执行这样的吹扫过程时，使气体吹扫通过燃料电池系统的通道系统的接口也不能被水堵塞。

技术实现思路

1、本发明的任务在于提供一种燃料电池系统，在其中，在燃料电池系统的每个运行姿态中都能执行“排水”过程，通过该排水过程能将聚集的水从燃料电池系统去除，并且优选地，在燃料电池系统的每个运行姿态中都能执行“净化”过程，在该净化过程中使气体吹扫通过燃料电池系统的通道系统。

2、该任务在具有权利要求1中的前序部分的特征的燃料电池系统中通过如下方式来解决，即，燃料电池系统包括至少一个第二集水区，在燃料电池系统的第二运行姿态范围中，水聚集在该第二集水区中，并且包括至少一个第二除水接口，通过该第二除水接口能将水从第二集水区去除。

3、在燃料电池系统的一个优选的设计方案中设置的是，第二运行姿态范围包括至少一个第二运行姿态子范围，在第二运行姿态子范围中，没有水聚集在第一集水区中。由此实现了，当燃料电池系统位于第二运行姿态子范围中时，气态介质可以通过第一除水接口从通道系统吹扫出。

4、此外，在本发明的一个特别的设计方案中，第一运行姿态范围包括至少一个第一运行姿态子范围，在第一运行姿态子范围中，没有水聚集在第二集水区中。由此确保了，当燃料电池系统位于第一运行姿态子范围中时，气体可以通过第二除水接口从通道系统吹扫出。

5、特别有利的是，第一运行姿态范围和第二运行姿态范围共同包括了燃料电池系统的所有运行姿态。由此确保了总是有至少一个除水接口能被用于将气态介质从燃料电池系统的通道系统吹扫出。

6、在燃料电池系统的一个优选的设计方案中设置的是，在第一运行姿态子范围中，通道系统的最低点位于第一集水区中。

7、此外可以设置的是，在第二运行姿态子范围中，通道系统的最低点位于第二集水区中。

8、与燃料电池堆的阴极边缘板相比，第一除水接口优选更靠近燃料电池堆的阳极边缘板地布置。

9、与燃料电池堆的阳极边缘板相比，第二除水接口优选更靠近燃料电池堆的阴极边缘板地布置。

10、在本发明的一个特别的设计方案中，第一除水接口和/或第二除水接口与用于从燃料电池堆输送阳极气体的通道系统联接，或与用于从燃料电池堆导走阳极气体的通道系统联接。

11、对此替选或补充地可以设置的是，第一除水接口和/或第二除水接口与用于向燃料电池堆输送阴极气体的通道系统联接，或与用于从燃料电池堆导走阴极气体的通道系统联接。

12、特别有利的是，气态介质能通过第一除水接口和/或通过第二除水接口从分别配属的通道系统中导走和/或能输送给分别配属的通道系统。以该方式，第一除水接口或第二除水接口可以用于执行对燃料电池系统的“净化”过程。

13、在本发明的一个优选的设计方案中设置的是，燃料电池系统包括用于获知燃料电池系统的运行姿态的装置，并包括控制设备，该控制设备依赖于所获知的运行姿态地驱控用于封闭第一除水接口的第一阀和/或用于封闭第二除水接口的第二阀。

14、这种用于获知燃料电池系统的运行姿态的装置例如可以包括倾斜度传感器，该倾斜度传感器优选检测燃料电池系统的基准平面相对于水平线和/或相对于竖直线的倾斜度。

15、此外，在燃料电池系统的一个特别的设计方案中设置的是，燃料电池系统包括用于获知第一集水区的液位和/或第二集水区的液位的装置，并包括控制设备，该控制设备依赖于所获知的第一集水区的液位和/或所获知的第二集水区的液位地驱控用于封闭第一除水接口的第一阀和/或用于封闭第二除水接口的第二阀。

16、由此能实现的是，当相关的集水区被所聚集的水填充至预给定的液位时，将水从第一集水区或第二集水区去除。

17、此外，当第一集水区的液位或第二集水区的液位低到不妨碍通过相关的除水接口输送气体时，则可以借助第一除水接口和/或借助第二除水接口执行对燃料电池系统的“净化”过程。

18、这种用于获知第一集水区的液位和/或第二集水区的液位的装置尤其可以包括压力传感器。

19、从在打开第一除水接口或第二除水接口之后的压力曲线可以推断出是水还是气态介质通过各自的除水接口被去除。

20、为了实现在其中一个集水区中聚集的水始终到达最低的集水区中，在本发明的一个特别的设计方案中设置的是，第一集水区和第二集水区通过至少一个均水通道彼此连接。

21、在此例如可以设置的是，至少一个均水通道被构造为燃料电池系统的通道系统的介质通道的流动平缓区。

22、介质通道尤其可以被构造成用于向燃料电池堆输送阳极气体或用于从燃料电池堆导走阳极气体。

23、优选地，介质通道与燃料电池堆的堆叠方向基本上平行延伸。

24、优选地，均水通道与燃料电池堆的堆叠方向基本上平行延伸。

25、均水通道可以被构造为介质通道的边界壁上的拱起部。

26、此外可以设置的是，至少一个均水通道包括燃料电池系统的通道系统的介质通道的两个或更多个流动平缓区。

27、作为对将均水通道构造为燃料电池系统的通道系统的介质通道的流动平缓区的替选或补充，还可以设置的是，至少一个均水通道被构造为与燃料电池系统的通道系统的介质通道分开构成的均水线路。

28、这种均水线路尤其可以包括均水管件。

29、本发明还涉及一种用于从燃料电池系统中去除水的方法。

30、本发明的另外的任务在于，提供一种用于从燃料电池系统中去除水的方法，该方法能够实现与燃料电池系统的各自的运行姿态无关地使水可靠且尽可能完全地从燃料电池系统中去除。

31、根据本发明，该任务通过用于从燃料电池系统去除水的方法来解决，该方法包括以下内容：

32、-当燃料电池系统处于第一运行姿态范围中时，水聚集在第一集水区中；

33、-当燃料电池系统处于第二运行姿态范围中时，水聚集在第二集水区中；

34、-通过第一除水接口将水从第一集水区去除；

35、-通过第二除水接口将水从第二集水区去除。

36、根据本发明的燃料电池系统尤其适用于执行根据本发明的用于从燃料电池系统去除水的方法。

37、根据本发明的用于从燃料电池系统去除水的方法的特别的设计方案已在上文结合根据本发明的燃料电池系统的特别的设计方案被公开。

38、根据本发明的燃料电池系统优选包括至少两个除水接口，它们与燃料电池堆的彼此远离的端部区域相邻地布置。

39、由于第一除水接口和第二除水接口位于不同的高度定位这一事实，使得即使在燃料电池系统的最不利的运行姿态中也始终确保其中一个除水接口能用于去除水(“排水”过程)，而相应地另一除水接口则用于以气体进行吹扫(“净化”过程)。

40、与燃料电池系统的各自的运行姿态无关地，总是其中一个除水接口位于燃料电池系统的最低点。因此，在燃料电池系统的每个运行姿态中都能将水从燃料电池系统中导走。

41、如果两个除水接口中的一个除水接口被所聚集的水浸没，则由于两个除水接口的几何上的相对布置方式，使得另一除水接口在该时间点总是位于气体腔中。由此使得“排水”过程和“净化”过程都可以在任一时间点并且在燃料电池系统的每个运行姿态中成功实施。“排水”过程和“净化”过程在此并不分别由固定预给定的除水接口来执行，而是以可变方式根据运行姿态而定地分别通过恰好适用于此的除水接口来执行。

42、对燃料电池系统的当前所在的运行姿态的探测以及与之相关联的向除水接口分配“排水”过程和“净化”过程，例如能通过倾斜度传感器来实现，该倾斜度传感器被设置在燃料电池系统中或其中布置有燃料电池系统的车辆中。

43、当布置有除水接口的集水区通过至少一个均水通道彼此连接时，即使在燃料电池系统的运行姿态频繁地自发变换的情况下也始终能实现水从燃料电池系统中可靠且完全导走。于是，通过这样的均水通道可以实现水在集水区之间的转移。

44、水在第一集水区与第二集水区之间的转移可以通过燃料电池系统的通道系统的介质通道、通过布置在这样的介质通道中的一个或多个流动平缓区、或通过与燃料电池系统的通道系统的介质通道分开构成的均水线路来实现。

45、由于在根据本发明的燃料电池系统中始终可以不依赖于燃料电池系统的各自的运行姿态地从燃料电池系统中导走所有聚集的水，所以燃料电池系统即使在车辆停放时也可以随时为可能需要的霜冻启动情形做好准备。

46、当即将到来的运行压力大于水柱的静液压力时，也可以逆着静液压力的梯度地从燃料电池系统中导走水。

47、此外有可能的是，水基于重力始终被排导至较低的除水接口。

48、打开和封闭第一除水接口的第一阀可以与燃料电池堆的阴极侧处于流体连接中，或者可以与燃料电池堆的阳极侧处于流体连接中。

49、打开和关闭第二除水接口的第二阀可以与燃料电池堆的阴极侧处于流体连接中，或者可以与燃料电池堆的阳极侧处于流体连接中。

50、通过本发明解决了在燃料电池系统的所有可能的运行姿态中都可靠地将冷凝水从燃料电池系统去除的问题。

51、第一除水接口和第二除水接口被布置成使得不依赖于燃料电池系统的运行姿态地，这些除水接口中始终有一个除水接口位于燃料电池系统的气体腔中的最低点处。因此，在燃料电池系统的每个运行姿态中都能可靠地从燃料电池系统中导走水并且从燃料电池系统中吹扫出惰性气体。