燃料电池系统及产生燃料电池系统所用惰性气体的方法与流程

本发明涉及燃料电池系统以及涉及用于产生燃料电池系统所用的惰性气体的方法。

背景技术：

1、已知pem(polymer electrolyte membrane，聚合物电解质膜)燃料电池堆具有较小的氢气泄漏和空气泄漏。为了避免氢气的积聚，燃料电池的周围环境通常是通风的。挑战之处在于，将泄漏的氢气稀释到安全浓度以避免引燃或引爆的风险。

2、正常通风覆盖了无法避免的通过渗透的泄漏。在故障情况下，可能会发生更大的泄漏，这可能会导致氢气浓度超过燃烧极限或爆燃极限。为了稀释大泄漏中所泄漏的氢气，需要非常高的通风质量流量。该通风质量流量在燃料电池的阴极侧操作燃料电池所需的质量流量的范围内。

3、为了为较大泄漏提供标准通风，将必须为通风提供与用于燃料电池的操作相比大致相同的空气量。必须提供的任何附加的空气质量流量都意味着燃料电池系统效率的损失，并且必须避免。

4、作为释放氢气或h2的隔室的通风的替代方案，可以进行隔室的惰性化。惰性化是指不允许形成可能引燃或爆炸的气体混合物的环境条件。存在不同的惰性化水平。即使在较大氢气气体泄漏的情况下，氧气含量较低的贫氧环境也能防止氧化发生。惰性气体发生器能够广泛用于罐惰性化所用的航空航天应用，然而，这些系统是复杂的并且需要大量的空间。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种燃料电池系统以及一种用于产生燃料电池系统所用的惰性气体的方法，其避免了引燃或爆炸的风险。

2、根据第一方面，本发明提供了一种燃料电池系统，该燃料电池系统包括：燃料电池单元，该燃料电池单元设置在壳体中并且包括阳极部分和阴极部分；氢气源，该氢气源用于向燃料电池单元供应氢气；空气供应单元，该空气供应单元用于向燃料电池单元供应空气；催化转化器，该催化转化器用于对氧气和氢气进行催化转化以产生惰性气体混合物并将该惰性气体混合物供应至壳体的内部，其中，催化转化器包括阴极排气口，该阴极排气口用于接收来自燃料电池单元的阴极部分的阴极排气，并且其中，催化转化器构造成用于使用下述各者来产生惰性气体混合物：(a)从燃料电池单元的阳极部分供应的净化气体，以及/或者(b)从燃料电池单元的氢气供应单元供应的新鲜氢气，或者净化气体和新鲜氢气的混合物。

3、优选地，催化转化器构造成用于使用由燃料电池系统的泄漏产生并设置在壳体的内部中的气体来产生惰性气体混合物。

4、优选地，催化转化器包括进气口，该进气口用于接收来自壳体的内部的环境气体，以将该环境气体转化为不包含氢气或氢气浓度大幅降低的贫氧气体。

5、优选地，燃料电池系统包括热交换器，该热交换器构造成用于在氢气供应至催化转化器之前对该氢气进行加热，并且用于在催化转化器中产生的惰性气体混合物供应至壳体的内部之前对该惰性气体混合物进行冷却。

6、优选地，燃料电池系统包括冷却单元，该冷却单元用于提供单独的冷却剂流，以在催化转化器中产生的惰性气体混合物供应至壳体的内部之前对该惰性气体混合物进行冷却。

7、优选地，燃料电池系统包括阴极排气控制阀，该阴极排气控制阀用于对供应至催化转化器的阴极排气的流量进行控制。

8、优选地，燃料电池系统包括净化阀，该净化阀以电子的方式和/或以机械的方式连接至阴极排气控制阀，从而根据净化气体的流量对到催化转化器的阴极排气的流量进行控制。

9、优选地，催化转化器是用于对容纳在壳体中的气体进行再利用的闭合系统的一部分，该闭合系统优选地包括氢气和氧气传感器，以确定供应至催化转化器的氢气和氧气浓度，并且优选地包括风扇，该风扇用于使从壳体的内部接收的气体在催化转化之后再循环返回至壳体的内部。

10、根据第二方面，本发明提供了一种用于产生燃料电池系统所用的惰性气体的方法，该方法包括以下步骤：将来自设置在壳体内部的燃料电池单元的阴极排气供应至催化转化器；将来自燃料电池单元的阳极部分的净化气体和/或来自燃料电池系统的氢气供应单元的氢气、或者净化气体和氢气的混合物供应至催化转化器；对阴极排气中的氧气以及所供应的氢气和/或净化气体进行催化转化以产生惰性气体混合物；以及将所产生的惰性气体混合物供应至燃料电池单元的壳体的内部。

11、优选地，使用由燃料电池系统的泄漏产生并设置在壳体的内部中的气体来产生惰性气体混合物。

12、优选地，该方法包括将来自壳体的内部的气体供应至催化转化器。

13、优选地，该方法包括在将氢气供应至催化转化器之前对该氢气进行加热，并且在将催化转化器中产生的惰性气体混合物供应至壳体的内部之前对该惰性气体混合物进行冷却。

14、优选地，该方法包括提供单独的冷却剂流，以在将催化转化器中产生的惰性气体混合物供应至壳体的内部之前对该惰性气体混合物进行冷却。

15、优选地，根据向催化转化器供应净化排气对向催化转化器供应阴极排气进行控制。

16、优选地，在与燃料电池单元分离的闭合系统内对燃料电池单元的壳体中的气体进行再利用，其中，使来自壳体的内部的气体在该气体的催化转化之后再循环返回至壳体的内部。

17、优选地，在催化转化之前确定气体中的氢气和氧气浓度。

18、本发明提供了一种燃料电池系统和一种用于产生燃料电池系统所用的惰性气体的方法，其避免了引燃或爆炸的风险。此外，根据本发明的惰性气体的产生基于大多数可用的部件和过程气体流动并且尽可能避免附加的设备以节省空间和重量。

19、特别地，本发明使用贫氧空气(例如4％的o2)的可用性和氢气气体的可用性来使氧气的浓度降低到抑制引燃由泄漏产生的氢气的值。

20、特别地，本发明包括壳体中的pem燃料电池系统以及惰性气体发生单元。惰性气体发生单元由催化转化器构成，该催化转化器将氧气和氢气催化转化为惰性气体混合物。

21、特别地，不同的功能原理是可能的，包括：(1)从阳极净化部产生惰性气体；(2)使用新鲜氢气产生惰性气体；以及(3)使用燃料电池壳体中来自泄漏的气体产生惰性气体。这些功能原理可以彼此组合。

技术特征：

1.一种燃料电池系统(10)，包括：

2.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，所述催化转化器(18)构造成用于使用由所述燃料电池系统(10)的泄漏产生并设置在所述壳体(30)的内部(31)中的气体(22)来产生所述惰性气体混合物(21)。

3.根据权利要求1或2所述的燃料电池系统，其特征在于，所述催化转化器(18)包括进气口，所述进气口用于接收来自所述壳体(30)的内部(31)的环境气体(22)，以将所述环境气体(22)转化为不包含氢气或氢气浓度大幅降低的贫氧气体。

4.根据前述权利要求中的一项所述的燃料电池系统，其特征在于，热交换器(49)，所述热交换器(49)构造成用于在所述氢气(32)供应至所述燃料电池单元(11)之前对所述氢气(32)进行加热，并且用于在所述催化转化器(18)中产生的所述惰性气体混合物(21)供应至所述壳体(30)的内部(31)之前对所述惰性气体混合物(21)进行冷却。

5.根据前述权利要求中的一项所述的燃料电池系统，其特征在于，冷却单元，所述冷却单元用于提供单独的冷却剂流，以在所述催化转化器(18)中产生的所述惰性气体混合物(21)供应至所述壳体(30)的内部(31)之前对所述惰性气体混合物(21)进行冷却。

6.根据前述权利要求中的一项所述的燃料电池系统，其特征在于，阴极排气控制阀(37)，所述阴极排气控制阀(37)用于对供应至所述催化转化器(18)的阴极排气(20)的流量进行控制。

7.根据权利要求6所述的燃料电池系统，其特征在于，净化阀(17)，所述净化阀(17)以电子的方式和/或以机械的方式连接至所述阴极排气控制阀(37)，从而根据所述净化气体(15)的流量对到所述催化转化器(18)的所述阴极排气(20)的流量进行控制。

8.根据前述权利要求中的一项所述的燃料电池系统，其特征在于，所述催化转化器(18)是用于对容纳在所述壳体(30)中的所述气体(22)进行再利用的闭合系统(50)的一部分，所述闭合系统(50)包括：氢气和氧气传感器(51)，所述氢气和氧气传感器(51)用以确定供应至所述催化转化器(18)的氢气和氧气浓度；以及风扇(52)，所述风扇(52)用于使从所述壳体(30)的内部(31)接收的所述气体(22)在催化转化之后再循环返回至所述壳体(30)的内部(31)。

9.一种用于产生燃料电池系统所用的惰性气体的方法，所述方法包括：

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，使用由所述燃料电池系统(10)中的泄露产生并设置在所述壳体(30)的所述内部(31)中的气体(22)来产生所述惰性气体混合物(21)。

11.根据权利要求9或10所述的方法，其特征在于，将来自所述壳体(30)的所述内部(31)的气体(22)供应至所述催化转化器(18)。

12.根据权利要求9至11中的一项所述的方法，其特征在于，在将所述氢气(32)供应至所述催化转化器(18)之前对所述氢气(32)进行加热，并且在将所述催化转化器(18)中产生的所述惰性气体混合物(21)供应至所述壳体(30)的所述内部(31)之前对所述惰性气体混合物(21)进行冷却。

13.根据权利要求9至12中的一项所述的方法，其特征在于，提供单独的冷却剂流，以在将所述催化转化器(18)中产生的所述惰性气体混合物(21)供应至所述壳体(30)的所述内部(31)之前对所述惰性气体混合物(21)进行冷却。

14.根据权利要求10至13中的一项所述的方法，其特征在于，根据向所述催化转化器(18)供应所述净化气体(15)对向所述催化转化器(18)供应所述阴极排气(20)进行控制。

15.根据权利要求9至14中的一项所述的方法，其特征在于，在与所述燃料电池单元(11)分离的闭合系统(50)内对所述燃料电池单元(11)的所述壳体(30)中的气体(22)进行再利用，其中：

技术总结
一种燃料电池系统，包括：燃料电池单元，该燃料电池单元设置在壳体中并且包括阳极部分和阴极部分；氢气源，该氢气源用于向燃料电池单元供应氢气；空气供应单元，该空气供应单元用于向燃料电池单元供应空气；以及催化转化器，该催化转化器用于对氧气和氢气进行催化转化以产生惰性气体混合物并将该惰性气体混合物供应至壳体的内部。催化转化器包括用于接收来自燃料电池单元的阴极部分的阴极排气的阴极排气口。在用于产生燃料电池系统所用的惰性气体的方法中，将来自燃料电池单元的阳极部分的净化气体和/或来自燃料电池单元的氢气供应单元的新鲜氢气供应至催化转化器，以产生惰性气体混合物。

技术研发人员：雅尼克·费尔南德斯加西亚,尼古劳斯·绍库普
受保护的技术使用者：空中客车德国运营有限责任公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/16