燃料电池系统、用于燃料电池系统的再循环结构组和用于冷却燃料电池系统中的再循环鼓风机的驱动装置的方法与流程

本发明涉及一种燃料电池系统、一种用于燃料电池系统的再循环结构组和一种用于冷却燃料电池系统中的再循环鼓风机的驱动装置的方法。

背景技术：

1、燃料电池越来越多地、尤其还在车辆中用作能量转换器，以便将存储在燃料(例如氢气)中的化学能与氧气一起直接转换为电能。燃料电池典型地具有阳极、阴极和布置在阳极与阴极之间的电解质膜。在阳极上进行燃料的氧化，在阴极上进行氧气的还原。在此，在阴极侧上产生水。

2、通常，给燃料电池的阳极连续地过剩地供应气态燃料，即，供应与在化学计量上需要供应给阴极的给定氧气供应量相比更多的燃料。剩余燃料通常被再循环或被重新供应给阳极。这通常借助再循环鼓风机进行，该再循环鼓风机将阳极排出物从阳极的出口输送回到阳极的入口。

3、再循环鼓风机通常借助电马达来运行。为了改善再循环鼓风机的能效和使用寿命，对该再循环鼓风机的冷却是有利的。在us2009/0014149 a1中公开一种具有再循环鼓风机的燃料电池系统，其中，该再循环鼓风机借助来自氢气罐的氢气冷却。

4、由于在燃料电池的阴极侧上由于化学反应产生的产物水可能到达阳极侧上，因此，在剩余燃料中可能包含有水，该水在再循环剩余燃料时会被重新供应给阳极。为了避免水过多地积聚在阳极上，通常在再循环剩余燃料时进行水分离。例如，jp 2005 116354a描述一种燃料电池系统，该燃料电池系统具有布置在再循环路径中的水分离器。

技术实现思路

1、根据本发明，提出一种具有权利要求1的特征的用于燃料电池系统的再循环结构组、一种具有权利要求8的特征的燃料电池系统和一种具有权利要求9的特征的用于冷却燃料电池系统中的再循环鼓风机的驱动装置的方法。

2、根据本发明的第一方面，用于燃料电池系统的再循环结构组包括水分离器和再循环鼓风机，该水分离器能够与燃料电池组件的燃料出口连接，该水分离器用于从来自燃料出口的废气流中至少部分地分离出液态水，该再循环鼓风机具有输送装置和驱动装置，该输送装置具有鼓风机输入端和鼓风机输出端，该鼓风机输入端与水分离器连接，该鼓风机输出端能够与燃料电池组件的燃料入口连接，该输送装置构造为用于输送气体流，该驱动装置用于驱动输送装置，该驱动装置具有冷却体，该冷却体热耦合到水分离器上，用于冷却驱动装置。

3、根据本发明的第二方面，提出一种燃料电池系统，该燃料电池系统具有：燃料电池组件，该燃料电池组件具有至少一个燃料电池、燃料入口和燃料出口；供应管线，该供应管线与燃料入口连接，该供应管线用于供应气态燃料；和根据本发明的第一方面的再循环结构组，其中，水分离器与燃料出口连接；并且其中，再循环鼓风机的输送装置的鼓风机输出端与供应管线连接。

4、根据本发明的第三方面，提出一种用于冷却燃料电池系统中的再循环鼓风机的驱动装置的方法。根据本发明的该方面的方法可以例如在根据本发明的第二方面的燃料电池系统中执行和/或借助根据本发明的第一方面的再循环结构组执行。根据本发明的方法包括，在水分离器中从燃料电池系统的燃料电池组件的阳极侧废气中至少部分地分离出液态水，和从水分离器中将阳极侧废气和/或分离出的液态水作为冷却介质供应给驱动装置。

5、本发明所基于的构思在于，在燃料电池系统中利用来自阳极的质量流来冷却再循环鼓风机的驱动装置，该质量流包含气态燃料和水。为此，驱动装置经由冷却体热耦合到水分离器上，该驱动装置可以例如具有电动马达并且可选地具有控制电子装置，该控制电子装置用于控制电动马达，在该水分离器中，从来自阳极的质量流中尽可能完全地分离出水。冷却体可以例如通过驱动装置的壳体构造，其中，在该壳体中可以接收有例如电动马达并且可能接收有控制电子装置。

6、本发明的优点在于，利用来自阳极的质量流的冷却潜力，该质量流在下文中也被称为阳极排出物、废气流或者再循环气体流。因此，不再强制性需要对再循环鼓风机的驱动装置的单独的冷却剂供给。这有利地减小燃料电池系统的复杂性。此外，改善该系统的能效。

7、有利的构型和扩展方案由另外的从属权利要求以及由参照附图的绘图的描述得出。

8、根据一些实施方式可以设置，冷却体构造为用于被废气流和/或被分离出的液态水绕流。因此，到水分离器上的热耦合可以例如通过下述方式实现：冷却体、尤其是驱动设备的壳体在其外表面上被分离出的水和/或再循环气体绕流。因此，简化冷却体的结构构造。

9、根据一些实施方式可以设置，冷却体伸入到水分离器的分离路段中，该分离路段构造为用于从废气流中分离液态水。一般来说，分离路段通过水分离器的内部容积限定，阳极废气流动通过该内部容积，并且分离出的水积聚在该内部容积中。因此，冷却体通过下述方式可以热耦合到水分离器上：该冷却体至少部分地布置在水分离器的内部容积中。这进一步简化再循环结构组的结构构造。借助再循环气体绕流冷却体的另一优点在于，通过再循环气体流来供应热量，这有助于蒸发再循环气体流中的液态颗粒。因此，可以有利地减少液态颗粒经由再循环气体流进入到到阳极中。

10、根据一些实施方式可以设置，冷却体具有冷却剂通道，该冷却剂通道与水分离器连接，该冷却剂通道用于穿引废气流和/或分离出的液态水。因此可以设置，冷却体在其横截面中被来自水分离器的冷却介质穿流。由此，在驱动装置与冷却介质之间可以实现还更好的热传递。

11、根据一些实施方式可以设置，冷却剂通道将水分离器的再循环输出端与输送装置的鼓风机输入端连接，废气流能够从水分离器中通过该再循环输出端排出。因此，在待再循环的废气通过鼓风机输入端供应给输送装置之前，该待再循环的废气首先被引导穿过冷却剂通道。这提供如下优点：促进再循环气体流中的液态颗粒的蒸发，并且有利地降低液态颗粒在供应给输送装置的气体流中的份额。这有助于减小输送装置的负载。

12、根据一些实施方式可以设置，输送装置的鼓风机输入端与水分离器的再循环输出端连接，废气流能够从水分离器中通过该再循环输出端排出，其中，冷却剂通道与输送装置的鼓风机输出端连接。因此，待再循环的气体首先通过输送装置压缩，并且在流动到燃料电池的燃料入口之前被引导穿过冷却剂通道。因此，可以给输送装置供应尽可能冷却的气体流，这对输送装置的效率产生有利效果。

13、根据一些实施方式可以设置，冷却剂通道与水出口和/或与清扫输出端连接，从废气流中分离出的液态水能够通过该水出口排走，冲扫气体能够通过清扫输出端排出。积聚在水分离器中的、从废气流中分离出的水可以通过水出口被排走，尤其是循环地或以预确定的间隔。因此，可以通过简单的方式利用阳极排出物的冷却潜力，而这不引起再循环气体的流动损失。可选地，冷却剂通道可以至少局部地设有吸附衬里，例如由沸石、烧结金属或者具有大的内表面的其他材料构成的衬里。替代地，能够考虑，衬里能够通过下述方式实现：冷却剂通道具有高的表面粗糙度。由此，在循环地给冷却剂通道填充水的情况下，有利于近似连续的散热。可选地，可以以预确定的间隔借助燃料对燃料电池组件的阳极侧进行冲扫，以便扫出可能堆积在阳极上的氮气。被扫出的气体可以同样用于冷却。

14、根据一些实施方式，将阳极侧废气和/或分离出的液态水作为冷却介质供应给驱动装置可以包括：绕流驱动装置的冷却体的外表面或穿流冷却体的冷却剂通道。