[发明专利]燃料电池系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种如权利要求1前序部分所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

燃料电池系统是众所周知的现有技术。这种燃料电池系统——尤其是具有一组PEM燃料电池的燃料电池系统——往往以这样的方式运行：在其阳极侧供给超过燃料电池运行所需的大量的新鲜的氢。这使得氢在燃料电池阳极室容易地均匀分布，并且使得膜和电极的活性物质在整个可用区域上都得到理想利用。从阳极室排出的废气一般含有残余氢以及惰性气体，特别是氮，其通过燃料电池的膜而扩散到阳极室。此外，一部分产生于燃料电池内的产物水积聚于阳极室内并随该阳极废气一起被排出。为了不浪费存在于阳极废气中的氢，将来自阳极的废气送回阳极输入端，使其在此处与新鲜的氢一起重新被输送给燃料电池的阳极室。

这种具有所谓的阳极回路或阳极循环的结构还需要水分离器，以便将积聚在阳极回路中的水分离出去。此外，还应将气体或者持续地以最小体积流或者间歇地以相应较大的体积流从阳极回路排出，以便从阳极回路吹扫出氮气和其它惰性气体，从而确保燃料电池工作时阳极回路中的氢浓度始终保持足够高的水平。

WO2008/052578A1揭示这样一种结构，在该结构中，在唯一一个水分离器区域内既实现了水的排出还实现了部分废气的排出。这个又称“排出/吹扫”（Drain/Purge）的过程在此可以这样实现：不仅将水，还将气体都送入通往燃料电池阴极室的供应管道区域。其十分重要的优点在于，气体中的残余氢在阴极室的电催化器区域内释放，由此安全可靠地避免了氢被排放到周围环境中。

上述结构的缺点（其也由US2010/0009223A1的图2类似地描述）在于：液态水被带入阴极室，从而由此使得阴极室的个别区域或将阴极室与阳极室分隔开的膜的个别区域被水润湿。这会引起点状电压骤降或者在个别电池区域内引起电压骤降。因此，该结构在运行策略方面比较复杂，因为只有确保足够的送气流时，才能以理想的方式排出水/阳极废气。因此，这种燃料电池系统的控制方法和运行方法也就变得较为复杂。

此外其他的现有技术可从US2004/0038100A1参考。其示出一种非常复杂的燃料电池系统，在这个系统中，无论氢还是氧或空气都通过潮湿的阴极废气进行润湿。为了避免被润湿的送气中含水量过高、并阻止水滴渗入燃料电池内，该文献提出在各加湿器下游设置用于拦截水滴的水分离器。在这个结构中，来自阳极回路的废气与经过除湿处理的阴极室废气混合，经另一水分离器处理后被排放到周围环境中。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是避免上述缺点并提供一种燃料电池系统，这种燃料电池系统能以简单而有效的方式实现稳定且可靠的运行，而且不会因阴极室的进水量过高而影响该燃料电池系统的效率。

根据本发明，通过权利要求1特征部分所述的特征来实现上述目的。本发明所提供的燃料电池系统的其它有益技术方案请参阅相关的从属权利要求。

据此，本发明设有另一水分离器，该水分离器布置在供应管道中。与上述现有技术所揭示的结构不同，这个水分离器的作用是将通过水分离器的排出管道将从阳极回路中带入的水从燃料电池阴极室的送气中分离出去。随后可以目标明确地将这部分水排出，而与水一同带入供应管道区域中的气体则可极大地与水分离地流入燃料电池的阴极室。其中所含的残余氢然后可以在电催化器区域内耗散，从而避免从燃料电池系统排放氢。在阴极室前方的供应管道中设置另一水分离器的优点主要在于，无论系统的当前工作状态如何，也不管系统的送气量有多少，只要系统在工作，就能进行水和阳极废气的排出。也就是说，排水和阳极废气排出策略的执行基本不受燃料电池工作状态的影响，从而确保阳极回路区域内始终存在最佳的氢浓度。

只有在不向阴极室输送氧的情况下，也就是例如在燃料电池系统相应处于停止运行状态时，当使燃料电池系统在开始/停止模式下运行时，才不应排出水和气体，否则就没有氧可用来在阴极室的电催化器区域内对进入该区域的氢进行相应转化。而在任何一种为燃料电池阴极室送气（哪怕送气流量较小）的工作状态下，都能执行水和气体的排出，因为排氢量如此之少，从而使得就算极小的送气流量也足以避免氢的排放。