[发明专利]燃料电池系统和用于操作燃料电池系统的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种权利要求1前序部分详细限定类型的燃料电池系统以及一种操作权利要求5前序部分详细限定类型的燃料电池系统的方法。

背景技术

燃料电池系统从普遍的现有技术中公知用于产生电能。后面的描述在此方面涉及具有例如作为PEM燃料电池形成的各燃料电池的组的燃料电池系统。但原则上思路也可以类似转移到其他燃料电池类型上。燃料电池或燃料电池组典型地总是具有阴极区，其被例如在所输送的空气中供给氧。燃料电池此外具有阳极区，其被供给气态形式的燃料，典型地供给含氢的气体或氢气。

对于阳极区来说，现在要么使其由燃料通流，从而过剩的燃料作为来自阳极区的废气。根据实施方式，在该情况系的结构可以选择为，仅有最小量的燃料从阳极区排出，而绝大部分的燃料在阳极区内耗尽。人们然后称其为所谓的“近死端组（Near-Dead-End-Stack）”。对此的备选方案是阳极区中无出口的燃料电池，所谓的“死端组（dead-End-Stack）”，其中耗尽所输送的全部燃料。作为阳极区的结构方面其他广泛应用的选择方案此外是供给阳极区极为过量的燃料。然后相对大量的燃料作为废气从阳极区流出。为了不浪费这些燃料，这些燃料然后通过所谓的“阳极回路”返回到阳极区的入口并在那里与流动到阳极区的新鲜燃料混合。

随着时间的推移阳极区内氮富集，其通过燃料电池的膜从阴极区或处于阴极区内的空气扩散到阳极区内。此外，利用燃料电池产生电流时一部分产物水在阳极区内形成。在要么具有阳极回路，要么采用“近死端组”的阳极区的典型优选的结构中，这些不希望的物质可以通过废气从阳极区去除，或在阳极回路的情况下通过放泄阀典型地随时去除。所有这些废气是直接来自阳极回路还是来自阳极区无关紧要，在此情况下，除了水和惰性气体外，始终还具有残余的燃料或氢。因此从现有技术中公知，这些物质通过燃烧器或诸如此类的装置再燃烧，以避免向周围排放燃料。

与其相关的DE 112004001483B4公开了一种结构，其中来自燃料电池阳极区的废气被临时储存在室或储存体内，以便然后–例如连续–输送到燃烧器。

US 2005/0214617A1公开了一种类似的结构。在这里同样为来自阳极区的废气使用收集容器或储存体。向环境的释放在此方面同样连续和相对缓慢地进行，以便与来自阳极区的废气相应混合，从而确保该总废气总低于临界燃料/氧混合物并由此可在未燃烧的情况下排放到环境。

其他现有技术，例如像DE 10306234B4中所介绍的那样，此外公开了燃料电池的废气可以在燃烧器内再燃烧。经再燃烧的废气或这种再燃烧的热废气然后可以在膨胀装置例如涡轮机内利用。上述专利文献在此方面介绍了一种涡轮增压器的结构，其中这种涡轮机驱动向阴极区输送空气的压缩机。此外可以具有电机，其需要时为压缩机提供附加的驱动功率并在涡轮机能量过剩的情况下也可以作为发电机运行。这样产生的电能然后可以储存或以其他方式利用。这种结构也称为电动涡轮增压器或ETC。

与其相关的DE 10325452A1此外介绍了一种“升压（Boost）”操作的可能性，其中为燃烧器输送附加燃料，其然后在需要时在膨胀装置上提供附加的能量并这样可以改善向阴极区的空气输送，或通过电机直接产生电能。在汽车上使用的情况下，这种升压操作例如用于在汽车的加速要求情况下短时间内非常迅速地提供大量的电能，直至其动态上比较缓慢的燃料电池适应相应的要求并从它那方面完全满足能量需求。因此，通过这种升压操作可以改善通过燃料电池系统产生电功率的动态。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种燃料电池系统，该系统优化燃料电池系统内的能量利用和动态，以及该系统以最小的安装空间满足对燃料电池系统的功率要求并有效利用所使用能量。

依据本发明，该目的通过权利要求1特征部分中所称的特征得以实现。用于操作这种类型的燃料电池系统的方法的解决方案来自权利要求5特征部分的所述特征。

依据本发明的解决方案提供一种燃料电池系统，其中来自阳极区域的废气临时储存在储存体内，然后它们从那里进入燃烧器的区域内。在燃烧器内它们然后相应地反应，而燃烧器的热废气驱动膨胀装置，在该膨胀装置内热废气膨胀。因此利用膨胀装置通过例如与来自阴极含有残余氧的废气共同燃烧，利用来自阳极区域废气内的能量。这种系统的能量平衡因此比仅为防止燃料排放的出现而燃烧废气的系统更好。此外，使用储存体可以使膨胀装置或燃烧器得到非常有效的控制和非常有效的操作，因为阴极废气得到收集并有针对性地输送到燃烧器，特别是在存在相应能量需求的情况下。