[发明专利]包括至少一个燃料电池的燃料电池系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种根据在权利要求1的前序部分中详细定义的类型的包括至少一个燃料电池的燃料电池系统。

背景技术

DE 102007003144A1描述了一种常规燃料电池系统。该燃料电池系统包括将“冷却”和“加湿”两种功能相组合的置换装置。这种在该文献中称为功能单元的置换装置允许从燃料电池的经使用的空气向到燃料电池的进气空气(intake air)的材料流动，而同时发生从由压缩装置加热的进气空气到比较凉的排放空气的热交换。

另一种现有技术参见DE 10115336A1。该文献也示出一种燃料电池系统，尽管不具有与上述文献的功能单元或置换装置可比较地形成的装置。但DE 10115336A1关注的是在循环引导阳极废气时必须随时从阳极回路(cycle)的区域排出的含氢废气的处理。该文献对此提出，含氢气体输送到向燃料电池的阴极区的进气空气的区域内，从而该气体与进气空气的氧在催化剂处(特别是在阴极的区域内在任何情况下存在的催化剂处)产生反应。

来自燃料电池阳极区的含氢废气的这种剂量在反应期间形成的温度方面对到燃料电池的阴极区的进气空气的处理产生不利影响。此外，如果允许在电池自身处的催化剂的区域内进行反应，那么由此使燃料电池更快老化。因此该结构的缺点是，它在其使用上极为受限，特别是为了不让上述缺点加剧的在含氢废气可转换的量方面同样极为受限。该使用因此伴有重大缺点，由于为将缺点降到最低限度而限制含氢的废气的量，该使用被限制到以用于具有阳极再循环回路的结构。

发明内容

本发明的目的在于，对燃料电池系统进行如下改进，使得可以转换含氢废气，因此在燃料电池系统内其可被有利地使用，并避免上述缺点。

该目的根据本发明通过权利要求1所述的特征得以实现。

通过将催化材料设置在置换装置的进气空气侧，来自阳极区的废气在置换装置内被转换。这样做的优点是，置换装置内可以装入特殊的催化剂，由此消除在阴极区内的氢和氧的反应。因此可以避免对燃料电池老化的不利影响。此外，在置换装置内对到燃料电池的阴极区的进气空气进行处理。因此从阳极区的废气向置换装置的输送对从该置换装置向燃料电池的阴极区流动的进气空气没有影响或没有不可校正的影响。在催化材料的区域内，进气空气的温度虽然有所提高，但因为进气空气在向阴极区继续流动之前首先在置换装置的区域内被冷却，所以这对进气空气没有不利影响。确切地说，热将加热冷却进气空气的经使用的空气流。这是一个主要优点，例如，对于在来自经使用的空气流的热被以不同的方式使用的情况下，或在需要防止液态水随同经使用的空气流从燃料电池系统排出的情况下。

此外，在含氢废气在置换装置的催化材料区域内转换时产生一定量的水或水蒸汽。该水蒸汽与通过置换装置从经使用的空气流传递到进气空气流上的水蒸汽共同用于燃料电池或这种燃料电池内典型使用的聚合物电解质膜片(PE膜片)的加湿，该膜片将阴极区与阳极区分开并以本身公知的方式提供燃料电池的功能。

在根据本发明的燃料电池系统一种特别有益的设置中，由此，来自阳极区废气的输送以受控和/或受调节的方式进行。特别是在使用具有阳极废气再循环的燃料电池系统时，从阳极区向置换装置的进气空气侧的废气的输送在时间上和/或量在一定限制内可以被控制或被调节。因此，在例如没有足够的经使用的空气流可供用于冷却产生的热的不利时间点上，可以延迟向置换装置的废气输送。这样可以避免不利的操作状态并可以实现燃料电池系统得到改进的操作引导。

在根据本发明的燃料电池系统另一种特别有益的设置中，可以向置换装置的进气空气侧输送燃料，特别是氢。通过可选的燃料，特别是燃料电池系统中本来就存在的氢的这种输送，可以实现燃料电池系统的进一步的灵活性。进一步的燃料向该置换装置的进气空气侧区域中的输送，以及由此的向催化材料区域中的输送，在需要更高加湿量的情况下可以始终进行，因为所输送的燃料与氧反应而生成水蒸气。此外，这种可选的输送在经使用的空气流内需要更大热量的情况下进行，例如在利用废热时或为蒸发经使用的空气流中更大量的液态水，这种水不应以液体形式从系统排出。