燃料电池废气设备、燃料电池系统及其运行方法与流程

本发明涉及一种燃料电池废气设备，通过该燃料电池废气设备例如可以在车辆中将为产生电能而运行的燃料电池排出的燃料电池废气排放到环境中。

背景技术：

1、为了在燃料电池中产生电能，向燃料电池的阳极区域输送氢气或含氢气体并且向燃料电池的阴极区域输送氧气或含氧气体、如空气。在燃料电池的阳极区域的阳极废气出口处，氢气贫化的气体作为燃料电池废气被排出。在燃料电池的阴极区域的阴极废气出口处，氧气贫化的气体作为燃料电池废气被排出。根据燃料电池的类型，主要是在燃料电池的阴极区域排出的燃料电池废气或主要是在燃料电池的阳极区域排出的燃料电池废气包含相对大比例的水或水蒸气。如果借助燃料电池废气设备将富含水蒸气且相对湿度在90-100％范围内的燃料电池废气排放到环境中，则尤其是在相对低的环境温度下存在这样的危险，即在与环境空气接触时燃料电池废气的温度大幅降低，这可能导致水从燃料电池废气中冷凝出并且因此导致剧烈的雾形成。这样的雾形成仅基于视觉外观就会让人感到不愉快和不希望并且尤其是在非常低的环境温度下导致这样的危险，即，当车辆静止时在燃料电池废气排放到环境中的区域中在车辆下方的地面上出现结冰。

技术实现思路

1、本发明的任务在于，提供一种尤其是用于车辆的燃料电池废气设备，通过该燃料电池废气设备可以基本上防止在排放到环境中的燃料电池废气中形成雾。

2、根据本发明，该任务通过一种尤其是用于车辆的燃料电池废气设备来解决，其包括：

3、可由燃料电池废气穿流的、用于从燃料电池废气中排出热量的第一燃料电池废气冷却单元，

4、在第一燃料电池废气冷却单元的区域中或/和下游的、用于分离包含在燃料电池废气中的冷凝物的第一分离单元，

5、在第一分离单元的区域中或/和下游的、用于加热燃料电池废气的燃料电池废气加热单元。

6、在根据本发明构造的燃料电池废气设备中，首先通过冷却燃料电池废气并且在此将燃料电池废气的温度降低到露点之下使在燃料电池废气中运输的水或水蒸气的一部分从燃料电池废气中析出并且可以作为冷凝物尤其是收集或积聚在第一分离单元中。然后当在燃料电池废气加热单元中加热水或水蒸气贫化的燃料电池废气时，虽然燃料电池废气中仍含有的水蒸气量不会发生变化，但基于温度升高使燃料电池废气中的相对湿度显著下降。如果水蒸气贫化的燃料电池废气随后以升高的温度排放到环境中，则可以避免自发的冷凝或雾形成。燃料电池废气在其温度再次明显下降之前就可以与环境空气充分混合，从而通过由此产生的稀释可以避免在燃料电池废气从燃料电池废气设备排出的区域中局部剧烈的雾形成。

7、为了高效地冷却燃料电池废气，第一燃料电池废气冷却单元可以包括用于将热量从燃料电池废气传递到冷却介质、优选冷却液或冷却气体的第一热交换器。

8、同样，为了高效地加热水蒸气贫化的燃料电池废气，燃料电池废气加热单元可以包括用于将热量从加热介质、优选加热液体或加热气体传递到燃料电池废气或/和至少一个可电激励的加热器的第二热交换器。

9、为了能够将在燃料电池废气中运输的热量用于燃料电池系统的高能效运行，提出，一种穿流第一热交换器和第二热交换器的载热介质提供冷却介质和加热介质。因此，这种载热介质可以将热量从在燃料电池废气设备的更上游部分流动的燃料电池废气传递到在燃料电池废气设备的更下游部分流动的燃料电池废气。

10、在一种替代的、同样利用在燃料电池废气中运输的热量的实施变型方案中，可以设置一个提供第一热交换器和第二热交换器的热交换器单元，所述热交换器单元包括可由燃料电池废气穿流的上游热交换器区域和在上游热交换器区域的下游的、与上游热交换器区域处于热传递相互作用的下游热交换器区域。通过这两个热交换器区域的热传递相互作用实现了直接的且不需要液态或气态载热介质的并且因此非常高效的热传递。

11、为了在该基本上直接的热传递中也能够将在燃料电池废气冷却之后冷凝的水排出，提出，第一分离单元设置在上游热交换器区域的下游和下游热交换器区域的上游。

12、为了在结构上集成燃料电池废气设备的不同系统区域并且因此实现紧凑的结构，进一步提出，在上游热交换器区域的下游和/或在上游热交换器区域的下游端部处和在下游热交换器区域的上游和/或在下游热交换器区域的上游端部处，设有用于从燃料电池废气中排出热量的第二燃料电池废气冷却单元。通过提供这种第二燃料电池废气冷却单元，除了已经在上游热交换器区域中进行的冷却之外，还在下游热交换器区域的上游进一步冷却燃料电池废气并因此促进水的冷凝。

13、在此，第二燃料电池废气冷却单元可以包括用于将热量从燃料电池废气传递到冷却介质、优选冷却液或冷却气体的第三热交换器。

14、热交换器单元可以包括热交换器单元壳体，上游热交换器区域和下游热交换器区域设置在所述热交换器单元壳体中。在此，第三热交换器还可以基本上设置在所述热交换器单元壳体中和/或将所述热交换器单元壳体在外侧包围地设置。

15、为了实现在燃料电池废气设备的不同部分中流动的燃料电池废气的高效热传递，热交换器单元可以包括对流热交换器或交叉流热交换器。

16、为了将燃料电池废气引导到第一燃料电池废气冷却单元，可以设置通向第一燃料电池废气冷却单元的第一燃料电池废气管路。当水或水蒸气主要包含在阴极废气中时，第一燃料电池废气管路可以是阴极废气管路。

17、为了在此已经在第一燃料电池废气冷却单元的上游分离在燃料电池废气中基本上以液滴形式输送的水，第一燃料电池废气管路可以分配有用于分离基本上以微滴形式包含在燃料电池废气中的液体的第二分离单元。

18、燃料电池废气设备还可以包括第二燃料电池废气管路、优选阳极废气管路，其中，所述第二燃料电池废气管路通入第一燃料电池废气管路中或通入从燃料电池废气加热单元引出的燃料电池废气排出管路中，这意味着，相应涉及的两个管路汇合，以合并在其中引导的燃料电池废气流。尤其是当第二燃料电池废气管路通入第一燃料电池废气管路中时，也可以分离通过第二燃料电池废气管路引导的燃料电池废气中包含的水或水蒸气。

19、在此，尤其是当通过第二燃料电池废气管路引导的燃料电池废气包含相对小比例的水或水蒸气时，第二燃料电池废气管路在第二分离单元的下游通入第一燃料电池废气管路中。

20、为了防止阳极废气中仍含有的残余氢气以过高浓度排放到环境中，可以设置至少一个氧化单元、优选催化器单元或/和燃烧器，用于氧化由燃料电池排出的燃料电池废气中包含的氢气。

21、如果第二燃料电池废气管路、即尤其是阳极废气管路基本上直接通入燃料电池废气排出管路中，则可以在第二燃料电池废气管路中在到燃料电池废气排出管路的入口的上游设置至少一个氧化单元。尤其是当第二燃料电池废气管路通入第一燃料电池废气管路中时，则可以在第一燃料电池废气管路中在第二燃料电池废气管路到第一燃料电池废气管路的入口的下游设置至少一个氧化单元。

22、为了尽可能避免例如由压缩机或类似设备产生的燃料电池系统的噪声通过燃料电池废气设备排放，可以设置至少一个燃料电池废气消音器，其设置在从燃料电池废气加热单元引出的燃料电池废气排出管路中。

23、至少一个燃料电池废气消音器优选设置在第二燃料电池废气管路到燃料电池废气排出管路的入口的下游，从而也能够抑制通过穿流第二燃料电池废气管路的燃料电池废气传播噪声。

24、本发明还涉及一种燃料电池系统，其包括燃料电池和分配给燃料电池的、根据本发明构造的燃料电池废气设备。

25、在该燃料电池系统中，第一燃料电池废气管路可以优选通过阴极废气截止单元连接到燃料电池的阴极废气出口上，并且第二燃料电池废气管路可以优选通过阳极废气截止单元连接到燃料电池的阳极废气出口上。

26、本发明还涉及一种用于运行燃料电池系统、尤其是根据本发明构造的燃料电池系统的方法，在所述方法中，将从燃料电池排出的燃料电池废气冷却以冷凝出水，并且将冷凝出水之后的、水蒸气贫化的燃料电池废气加热。