用于吹扫燃料电池的方法以及用于实施该方法的装置

摘要

本发明涉及一种用于吹扫燃料电池的方法。该方法的特征在于包括借助负压抽吸吹扫气体经过燃料电池的步骤。

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于吹扫燃料电池以减少燃料电池中含水量的方法以及一种用于实施该方法的装置。

背景技术

为了成功地严寒启动燃料电池系统，需要减少燃料电池中或燃料电池系统的燃料电池堆中所含的水量，以防止在其中发生水冻结并降低燃料电池系统的热容量。为此，在现有技术中，燃料电池系统在关断的情况下被吹干。含水量例如可通过下述方式减小，即，在关断燃料电池或燃料电池系统后在一定的时间段上继续运行压缩机，以便从燃料电池中去除水分。该过程也称为后运行或吹气(Blow Down)。但基于燃料电池系统中存在的压力情况，该方法是低效的并且或许不能充分干燥系统。

DE602007000440T2示出一种燃料电池驱动单元，其包括电动机压缩机组用于以压缩空气供应燃料电池，电动机压缩机组的转动方向可通过措施反转。

发明内容

基于该现有技术，本发明的任务在于，提供一种用于吹扫燃料电池的方法，借助该方法可以按简单且有效的方式减少燃料电池中的水量。此外，本发明的任务在于，提供一种用于实施该方法的装置，该装置也适合用于严寒启动，或者说该装置为准备严寒启动而考虑关断策略。此外，在此所公开技术的一个优选任务在于，使燃料电池为下一次冷启动或严寒启动做好准备，且在此没有有害气体或污物、如颗粒进入燃料电池。此外，在此所公开技术的一个方面在于，提高后运行期间的安全性并且同时减少可能的排放(噪音、水)。

该任务通过权利要求1的技术方案来解决，该技术方案包括借助负压抽吸吹扫气体经过燃料电池的步骤。与将吹扫气体吹过燃料电池相比，通过抽吸吹扫气体减小了在燃料电池中起作用的绝对压力。由此，燃料电池中所含的液态水在较低温度下汽化并且因此非常快并且简单地实现干燥。吹扫气体不具体作限定。一般来说，吹扫气体是这样的气体，该气体在燃料电池运行后为减少水量被以吹气方式(BlowDown)吹扫经过燃料电池，而不是要随此在燃料电池中引起电化学反应。当前，该吹扫通过抽吸完成。作为吹扫气体优选使用新鲜空气，因为由此省却了用于吹扫气体的材料成本并且新鲜空气几乎随处可自由获得。根据本发明的方法非常好地适于具有燃料电池或燃料电池堆的燃料电池系统，该方法可在没有高技术花费的情况下低成本且短时间地实施。

从属权利要求包括本发明的有利的扩展方案和设计方案。

根据按照本发明的方法的一种有利扩展方案，为了产生负压，为燃料电池供应阴极气体的输送装置在其输送方向上反转。这在最简单的情况下可电子控制地进行。在此，阴极气体通常是这样的气体，该气体在正常或者说常规的燃料电池运行中(即并非在后运行阶段中)被供应给燃料电池用于进行电化学的燃料电池反应。

有利的是，燃料电池的整个空气路径短时地在其输送方向上反转。吹扫气体(其中之一是新鲜气体)在此例如可从燃料电池的周围环境中吸入并且例如经过入口空气过滤器供应。待输送新鲜空气的量及其压力水平优选可通过节流阀控制。输送装置优选是在反转的方向上运行的压缩机，该压缩机在正常使用时为燃料电池供应阴极气体。本方法的该设计方案基本上不需要改变燃料电池系统的结构并且因此尤其是在用于实施本方法的成本方面是优选的。

另一种有利的扩展方案规定，为了产生负压，反转燃料电池中的输送方向。这尤其是涉及燃料电池的阴极路径。由此可特别有效地吹扫燃料电池。

进一步有利的是，通过燃料电池排气管线吸入吹扫气体。因为燃料电池排气管线直接与待吹扫的燃料电池连接，所以不需要单独的吹扫气体供应管线来从燃料电池周围环境中获取尤其是新鲜空气。所述吸入在此可直接从燃料电池排气出口进行或通过通入燃料电池排气管线中的输入管线进行。

在简单的方法实施的观点下，优选通过燃料电池排气出口吸入吹扫气体。燃料电池排气出口在燃料电池正常运行时将也可能含有水的阳极排气、阴极排气或燃料电池混合排气排入周围环境中。因此，虽然可能首先由于负压将含水的排气吸入经过燃料电池，但可能在燃料电池排气管线中就已经与吸入的新鲜空气发生了混合，从而可快速且简单地干燥燃料电池。为了减少或避免吸入含水的燃料电池排气，特别优选的是，可在关断燃料电池后在通过燃料电池排气出口吸入吹扫气体之前首先维持正常的输送方向几秒、优选1至10秒、尤其是2至5秒。

替代或附加于此地，可通过附加设置在燃料电池阴极气体供应管线中的吹扫气体供应管线吸入吹扫气体。在此有利的是，可立即借助负压抽吸新鲜空气经过燃料电池，而不必输送含水的燃料电池排气。燃料电池的干燥时间由此缩短。对于根据本发明的方法的该设计方案，输送装置在正常方向上运行。

此外有利的是，把被抽吸经过燃料电池的吹扫气体通过阴极气体供应管线排出。这有利于将现在被润湿的吹扫气体迅速排出燃料电池系统。

为了进一步简化本方法，把被抽吸经过燃料电池的吹扫气体通过设置在燃料电池阴极气体供应管线中的吹扫气体出口排出。

为了进一步缩短干燥时间，在抽吸经过燃料电池之前从所述燃料电池排气和/或吹扫气体中将水冷凝析出。

根据本发明也提出一种用于实施上述方法的装置。该装置例如是燃料电池系统并且包括至少一个燃料电池，该燃料电池设有用于向燃料电池供应阴极气体的阴极气体供应管线和用于从燃料电池中排出阳极排气、阴极排气或燃料电池混合排气的燃料电池排气管线。在阴极气体供应管线中设有输送装置、尤其是压缩机，该输送装置设置用于在燃料电池中产生负压并且抽吸吹扫气体经过燃料电池。基于根据本发明的装置的该设计方案(该装置能够实现以抽吸吹扫气体经过燃料电池代替借助高压挤压吹扫气体经过燃料电池)，可在最短的时间内干燥燃料电池并且提供具有良好严寒启动特性的燃料电池。

关于根据本发明的方法所阐述的优点、有利效果和扩展方案也适用于根据本发明的用于实施该方法的装置。

在简单的构件布置方面，输送装置是用于向燃料电池供应阴极气体的阴极气体输送装置，该阴极气体输送装置在反转的输送方向上运行。这可通过电子控制简单且低成本地实现。此外，可省却附加的输送装置并且提供具有最少功能构件的装置。

另一种有利的扩展方案规定，所述装置还包括吹扫气体供应管线和/或吹扫气体出口，所述吹扫气体供应管线和/或吹扫气体出口设置在输送装置和燃料电池之间的阴极气体供应管线中。因此，输送装置可以在正常的输送方向上运行，而吹扫气体仍高效地被抽吸经过燃料电池。输送装置在通常的输送方向上的运行对于沿输送方向设计的输送装置构件几何布置(主要是叶片几何结构)和由此提高的输送量是特别有利的。

进一步有利的是，根据本发明的装置包括第一旁通管线和/或第二旁通管线，第一旁通管线连接燃料电池排气管线与输送装置下游的阴极气体供应管线，并且第二旁通管线连接输送装置下游的阴极气体供应管线与输送装置上游的阴极气体供应管线。由此在结构方面为待抽吸经过燃料电池的吹扫气体提供了简单的输送路径，且在此不显著干扰装置的架构。

为了简化对吹扫气体流动方向的控制，第一旁通管线和第二旁通管线通过一个多路阀彼此连接。

为了减少干燥燃料电池所需的时间，尤其是在使用通过燃料电池排气管线吸入的新鲜空气作为吹扫气体时，所述装置包括至少一个设置在燃料电池排气管线中的冷凝器。替代或附加地，冷凝器或水分离器也可在燃料电池出口上设置在第一旁通管线的分支处上游。

被抽吸经过燃料电池的吹扫气体可通过燃料电池排气出口排出。例如可以把被抽吸经过燃料电池的吹扫气体通过第一旁通管线或者说燃料电池旁路(下面简化地使用术语“第一旁通管线”)输送到燃料电池排气管线中。这具有以下优点，即，设置在燃料电池排气管线中的元件、如排气设备和/或水分离器(其本来就设置用于正常或常规的燃料电池运行)也可相应处理吹扫气体。因此，优选避免从燃料电池吹出的水分到达周围环境中。此外，可通过排气设备的降噪措施减少噪声水平。此外，位于燃料电池下游的分析装置、如用于确定燃料电池排气中氢浓度的装置也可用于吹扫气体。当吹扫气体在后运行期间通过用于常规运行的燃料电池排气出口排出时，同时减小了燃料电池排气管线中的氢浓度。替代或附加地，然而也可在输送装置上游设置吹扫气体出口，气体通过该吹扫气体出口泄入周围环境中。

尤其是也可通过燃料电池的阴极气体供应管线吸入吹扫气体。吹扫气体可在其被抽吸经过燃料电池之前首先被燃料电池的阴极气体空气过滤器过滤。阴极气体空气过滤器是这样的过滤器，其在燃料电池常规运行中对在燃料电池阴极侧上参与反应的气体去除可能的污物和/或有害气体。替代或附加地可想到，吹扫气体通过一个单独的过滤器过滤。但特别优选使用阴极气体空气过滤器，因为如此可减少安装空间、制造和维护成本。

在燃料电池上游抽吸吹扫气体期间，吹扫气体可通过阴极气体空气过滤器这样被吸入，使得输送装置不被穿流。在抽吸吹扫气体期间，输送装置可通过至少一条管线与燃料电池排气管线这样连接，使得输送装置吸入吹扫气体经过燃料电池。在该管线中已经在输送装置下游和燃料电池上游产生负压，该负压使水分冷凝析出。优选在燃料电池和输送装置之间的管线中设置水分离器，以此实现：尽可能少的水分进入输送装置中。特别优选的是，水分离器设置在燃料电池和(第一)多路阀之间，所述(第一)多路阀设置在燃料电池排气管线中。由此，水分离器可用于正常运行和用于后运行。

可设置多个多路阀，它们可这样设置和构造在阴极气体供应管线和/或燃料电池排气管线中，使得它们在燃料电池正常运行期间将阴极气体导向燃料电池并且通过燃料电池排气管线和/或燃料电池排气出口将燃料电池排气排出燃料电池。此外，可这样设置和构造多路阀，使得它们在抽吸吹扫气体期间将吹扫气体从阴极空气过滤器导入燃料电池中并且在燃料电池下游将吹扫气体供应给输送装置，从而所述输送装置将过滤后的吹扫气体抽吸经过燃料电池。

也描述了把在反转的运输方向上运行的输送装置用于在燃料电池中产生负压以用吹扫气体吹扫燃料电池。

基于根据本发明的解决方案及其扩展方案产生下述优点：

－提供了一种用于吹扫和干燥燃料电池的可简单实现且低成本的方法。

－包括至少一个燃料电池的装置特别适于严寒启动。

－该装置可以以最少的结构改变被提供。

－甚至可以在装置无结构改变的情况下仅通过电子控制的变换就实现方法实施的简化。

－可使用已有元件在燃料电池上游和下游处理吹扫气体。减少了安装空间需求、制造和维护成本。

－已有安全系统可监控吹扫过程。

附图说明

本发明的其它细节、特征和优点由下述说明和附图给出。附图如下：

图1为根据现有技术的包括燃料电池的装置的局部；

图2为根据本发明第一种有利扩展方案的包括燃料电池的装置的局部；

图3为根据本发明第二种有利扩展方案的包括燃料电池的装置的局部；

图4为根据本发明第三种有利扩展方案的包括燃料电池的装置的局部；

图5a为处于正常运行中的、根据本发明第四种有利扩展方案的包括燃料电池的装置的局部；

图5b为处于后运行中的、根据图5a的燃料电池的局部。

具体实施方式

借助实施例相比于现有技术来详细说明本发明。附图中仅示出根据本发明的装置的在此重要的部件，所有其余部件为清楚起见被省略。此外，相同附图标记表示相同部件。

图1示意性示出根据现有技术运行的装置10(如燃料电池系统)的局部。该装置10包括燃料电池1，该燃料电池在其输入端与阴极气体供应管线2连接。借助输送装置3、尤其是压缩机通过阴极气体供应管线2向燃料电池1输送阴极气体。输送装置3在此这样输送阴极气体，使得该阴极气体以增加的输送压力到达燃料电池1。在燃料电池输出端上连接燃料电池排气管线5。在燃料电池排气管线5的端部上，燃料电池排气通过燃料电池排气出口6从装置10泄入周围环境中。在燃料电池排气管线5中可以设置节流阀4，该节流阀调节燃料电池排气的输出量。

装置10还包括一个旁通管线7，该旁通管线在燃料电池1下游从燃料电池排气管线5分支出、绕行燃料电池1并且在燃料电池1上游通过多路阀8通入输送装置3下游的阴极气体供应管线2中。

在关断装置10的情况下、即在燃料电池1所谓的关停过程中，借助在正常方向上运行的输送装置3通过阴极气体供应管线2向燃料电池1输送吹扫气体，其吹扫燃料电池1，并且吹扫气体以及其中所含的水通过燃料电池排气管线5和燃料电池排气出口6排出。

图2示出根据本发明第一种有利扩展方案的装置20的局部。该装置20与图1中的装置10构造相同，即包括具有类似布置的所有构件。仅输送装置3在反转的输送方向上运行。这可电子控制，从而无需在装置20上实施结构措施来达到高效的吹扫效果。输送装置3因此产生负压。基于负压通过燃料电池排气出口6吸入新鲜空气并将其输送经过燃料电池排气管线5和燃料电池1。由此，利用新鲜空气吹扫燃料电池1并且从中去除燃料电池1中所含的水。被燃料电池1中所含水润湿的吹扫气体通过阴极气体供应管线2排出。通过节流阀4可有针对性地控制吹扫气体量和燃料电池1中的压力水平。

图3示出根据本发明第二种有利扩展方案的装置30的局部。在此，输送装置3在由现有技术已知的正常输送方向上运行。输送装置3的上游方向与其下游方向通过第二旁通管线13连接。该旁通管线13通过两个多路阀11和12连接到阴极气体供应管线2上。在多路阀11上设置吹扫气体出口9，润湿的、被抽吸经过燃料电池1的吹扫气体可通过该吹扫气体出口排出。

如已经关于图2中的装置20所描述的那样，通过燃料电池排气出口6基于由输送装置3产生的负压吸入新鲜空气并且将其通过燃料电池排气管线5输送经过燃料电池1。替代于此，也可在燃料电池排气管线5中未示出地设置单独的吹扫气体供应管线，通过该吹扫气体供应管线可吸入新鲜空气。

因此可以用新鲜空气吹扫燃料电池1并且可以从中去除燃料电池1中所含的水。被燃料电池1中所含水润湿的吹扫气体通过阴极气体供应管线2引导并且在多路阀11上供应给第二旁通管线13。润湿的吹扫气体通过多路阀12到达阴极气体供应管线2、被引导经过输送装置3并且经由多路阀11通过吹扫气体出口9排出。通过节流阀4可有针对性地调节吹扫气体量和燃料电池1中的压力水平。

在燃料电池排气管线5中可设置冷凝器16、17，借助冷凝器可在通过燃料电池排气管线5吸入的新鲜空气穿过燃料电池1之前去除该新鲜空气中所含的水分。待被抽吸经过燃料电池1的吹扫气体因此被预干燥并且可吸收更多量的水，这加速了燃料电池1的干燥过程。

图4所示的根据本发明的装置40与图3中装置30的区别在于，第一旁通管线7和第二旁通管线13可通过多路阀15彼此耦合。此外，在阴极气体供应管线2中设置吹扫气体供应管线14，通过该吹扫气体供应管线可吸入吹扫气体并且尤其是新鲜空气。节流阀4为此关闭。在正常输送方向上运行的输送装置3因此通过吹扫气体供应管线14抽吸吹扫气体经过燃料电池1。被在燃料电池1中所含的和从中排出的水润湿的吹扫气体通过第一旁通管线7和第二旁通管线13以及输送装置3吸入阴极气体供应管线2中并且在多路阀11上引出到吹扫气体出口9中。

图5a示出处于正常运行中的、用于在此公开的方法的装置。阴极气体流过阴极空气过滤器51和第二多路阀53进入输送装置3、在此例如压缩机中。输送装置3压缩阴极气体，该阴极气体随后通过第三多路阀55流入燃料电池1中。未示出可能的润湿措施，所述润湿措施优选可设置在第三多路阀55和燃料电池1之间，以便在阴极气体进入燃料电池1之前将其润湿。同时，阴极气体在正常运行中可流过燃料电池旁路7(第一旁通管线)。这样的旁路7和这样的旁通流通常本来就设置用于燃料电池1或输送装置3的高效运行。第二多路阀53可在正常运行期间阻断流动经过管线52和/或第二旁通管线13，如果该功能未被另外的阀确保的话。尽管在示意性附图5a和5b中输送装置3、第二旁通管线13以及第二和第三多路阀53、55作为分开的元件示出，仍优选这些元件之中的一个或多个元件一同集成到输送装置3中。

流入燃料电池1中的阴极气体在其被作为排气再次排出燃料电池1之前在阴极上至少部分参与电化学反应。然后所述气体在此穿流第一多路阀54以便随后进入排气设备6a中。在图5a中未示出水分离器16，该水分离器优选可设置在燃料电池1和第一多路阀54之间。优选的是，第一和/或第二多路阀54、55也阻止通过管线52、13的旁通流。但可能也足够的是，仅相应一个所述多路阀53、54、55阻断旁通管线52、13。

图5b示出根据图5a的在抽吸吹扫气体期间(后运行)的装置50。现在这样切换第二多路阀53，使得吹扫气体通过阴极气体过滤器51到达第二旁通管线13中。阴极气体从过滤器51到输送装置3的直接穿流现在被阻断。现在这样切换燃料电池1下游的第三多路阀55，以便该第三多路阀将吹扫气体从第二旁通管线13导入燃料电池1中。输送装置3和燃料电池1之间的直接连接也优选通过第三多路阀55阻断。在燃料电池1下游设置第一多路阀54，使得在后运行时吹扫气体在燃料电池1下游通过管线52流向第二多路阀53。在第二多路阀53中，在抽吸阶段期间，管线52和因此燃料电池1的排气侧与输送装置3流体连通。因此，输送装置3在后运行时从燃料电池1抽吸吹扫气体(参见箭头)。为此，无需反转输送装置3的输送方向。因此，可将输送装置3的叶轮为唯一的输送方向优化。图5b未示出水分离器16，该水分离器可设置在输送装置3下游、优选在第一多路阀54和燃料电池之间。水分离器16减少了水分，该水分否则可能腐蚀输送装置3。在此在输送装置3上游，吹扫气体通过第一旁路7(再次)(在此经由第一多路阀54)被输送给燃料电池排气管线5。随后所述吹扫气体通过排气设备6a泄出。作为替代方案，可设置另一在常规运行期间不用作阴极旁路的旁路。吹扫气体也可在输送装置3上游通过吹扫气体出口9(未示出)直接排出。

在第二旁通管线13中设置节流阀4。通过该节流阀4可结合输送装置3改变抽吸效果或负压。但同样可能足够的是，在一种优选实施方式中第二旁通管线13本身具有如此之小的横截面，使得第二旁通管线基于该小的横截面而作为流动阻力起作用，该流动阻力能够实现或促进负压。

本发明的上述描述仅用于说明目的，而不用于限制本发明。在本发明的范围内可在不背离本发明范围及其等同方案的情况下实现各种改变和改型。

附图标记列表

1 燃料电池

2 阴极气体供应管线

3 输送装置

4 节流阀

5 燃料电池排气管线

6 燃料电池排气出口

7 第一旁通管线

8 多路阀

9 吹扫气体出口

10装置

11多路阀

12多路阀

13第二旁通管线

14吹扫气体供应管线

15多路阀

16冷凝器

17冷凝器

20根据本发明的装置

30根据本发明的装置

40根据本发明的装置

50根据本发明的装置

51空气过滤器

52管线

53第二多路阀

54第一多路阀

55第三多路阀