[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排放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。DE 102007003144A1由此附加地示出一种结构，其中燃料电池系统的空气供给通过压缩机实现，该压缩机可以一方面由涡轮驱动和/或另一方面由电动机驱动。这种在燃料电池系统方面普遍公知的结构也称为电动涡轮增压器并允许至少支持压缩机的驱动，并在电机的功率过剩时通过涡轮作为发电机工作。

此外，US2005/0019633A1公开了一种具有阳极再循环回路(cycle)的燃料电池系统。在这种系统中，随时从阳极回路中排出的废气与来自阴极区域的废气(通常，也就是经使用的空气)混合并在催化燃烧器内燃烧。在除湿的经使用的空气和来自阳极区的废气催化燃烧时产生可以利用的相应热能，以便加热燃料电池系统的冷却回路。

这种操作方式对于这种燃料电池系统的冷启动来说肯定代表着相应优点，但对于正常操作来说，将这种废热输送到冷却水却是非常临界的，因为例如在车辆上可供足够冷却燃料电池使用的冷却面积是不够或很差的。此外，在US 2005/0019633A1的结构中，在催化燃烧器的区域内产生的废热除了冷启动的情况外并不能有效利用。

发明内容

这里本发明的目的因此在于，对燃料电池系统进行如下改进，使氢不排放到环境以及燃料电池系统以尽可能最佳利用可供使用的能量的方式操作。

该目的根据本发明权利要求1所述的特征得以实现。

通过将催化材料集成到置换装置的经使用的空气侧，省去附加的部件并缩短阳极区废气的线路。这种结构因此可以使废气直接流入阴极区后面的经使用的空气内，因为这种混合气体共同进入置换装置，在该置换装置的催化材料区域内，处于废气内的残余氢可与阴极区的经使用的空气内的残余氧产生反应。在这种反应时产生热和水蒸汽。热在这里特别受欢迎，因为除了由通过压缩机之后非常热的进气空气引入的热之外，还向从置换装置向涡轮的方向流动的经使用的空气引入了附加的热。

根据本发明的燃料电池系统的结构因此允许来自阳极区的含氢废气与来自阴极区的经使用的空气中的残余氧转换，并因此防止氢向燃料电池系统的环境扩散。此外，通过由此产生的废热，置换装置后面的经使用的空气比在置换装置的经使用的空气侧没有催化材料时明显更热。由此可以达到向涡轮输送附加能量的目的。由含氢废气的转换中产生的能量因此可以有益地在燃料电池系统内使用，在该燃料电池系统内，这种能量支持涡轮的驱动。

根据燃料电池系统一种特别有益的设置，作为含燃料的气体，可以输送附加的燃料，特别是氢。

这种设置允许除了来自阳极区的废气外输送附加的燃料作为含燃料的气体。原则上这种燃料可以是任意的燃料。但如果燃料电池系统利用氢运行，而且这种氢在任何情况下存在，那么该氢可以理想的方式作为附加燃料加以利用。附加燃料向置换装置并因此向置换装置的经使用的空气侧内的催化材料的输送使燃料与经使用的空气内残余氧的转换得到提高。这产生附加的热，这种热然后明显提高可以通过涡轮调用的功率。这种附加的能量然后可以用于驱动压缩机。

此外根据本发明一种特别有益的设置，压缩机可由电机驱动，其中，在涡轮上功率过剩的情况下，涡轮驱动发电机模式的电机以产生电能。

在具有上述类型的电机的燃料电池系统的这种设置中，如果将附加的燃料输送到置换装置的经使用的空气侧上的催化材料区域内，那么通过附加产生的热也可以直接产生电能，该电能然后作为附加的电能不仅可以用于驱动压缩机，而且还可以用于其他耗电器，例如像电动机等等的装置。通过附加产生废热，因此可以实现“加速(boost)”操作。

此外在本发明一种特别具有优点的设置中，热屏蔽置换装置的进气空气侧与具有催化材料的区域。

这一点例如可以由此进行，即两个区域彼此不接触或仅间接热接触，例如其中在该区域内置换装置的进气空气侧与排气侧之间实现导热比较差的材料或空气隙。因而可以避免催化材料的区域内产生的废热和在这里特别是利用附加燃料运行时产生的热，不必要地加热到燃料电池的阴极区的进气空气。