CN106575777A - 空间优化使用的燃料电池系统反应气体容器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种燃料电池系统反应气体容器(1)，其包括用于储存液态氢的氢罐(10)和用于储存液态氧的氧罐(30)，并且可选地包括用于储存液态或气态氮的氮罐(20,29)，其中所述氢罐(10)位于所述氧罐(30)内，并且所述氧罐(30)被隔热体(40)包围。反应气体容器(1)优选地包括氮罐(20)，其中氢罐(10)位于氮罐(20)内。本发明还涉及燃料电池系统和具有燃料电池驱动器的运载工具，其中燃料电池系统(2)和运载工具包括根据本发明的反应气体容器(1)。

Description

空间优化使用的燃料电池系统反应气体容器

技术领域

本发明的主题是用于燃料电池系统的反应气体容器，包括反应气体容器的燃料电池系统，以及包括燃料电池驱动器和反应气体容器的运载工具(例如自主水下航行器)。反应气体容器具有确保空间优化使用的结构。本发明的燃料电池系统使用氢作为燃料并使用氧或空气作为氧化剂。

背景技术

燃料电池在水电解的逆转中由化学能产生电能。通过连续供应待氧化的物质(氢)和氧化剂(氧或空气)并通过氧化产物的连续排放，单个电池连续地输送电流。各种类型的燃料电池以及其构造和运行模式本身是已知的。

燃料电池适合于为任何种类的消费者或负载产生电流。它们以环保的方式，可靠且高效地提供所需的功率输出。

为了运行燃料电池，有必要在存储容器中提供至少一种反应气体(氢气)，即在移动系统中，该存储容器必须被携带。此外，在偶尔的情况下不能从环境中提取氧或空气，例如在诸如水下航行器的封闭系统中。在这种情况下，必须另外携带氧或空气。氢和氧或空气的储存相对于由此可获得的功率输出需要相对大的空间。然而，可用空间通常受到限制，并且实际上不足以存储燃料电池系统的期望功率输出和运行持续时间所需的反应气体的量。

发明内容

因此，本发明的目的是优化燃料电池反应气体氢和氧或空气的存储，并提供占用尽可能小的空间的燃料电池反应气体容器。

本发明的另一个目的在于提供具有空间优化的反应气体供应的燃料电池系统，即燃料电池系统，其中燃料电池的连续运行所需的反应气体需要尽可能小的存储空间。

本发明的另一个目的在于提供一种燃料电池运行的运载工具，其中燃料电池运行所需的气体以空间优化的方式被容纳或能够被容纳。

这些目的通过包括根据权利要求1的特征的燃料电池反应气体容器，包括根据权利要求13的特征的燃料电池系统以及包括根据权利要求15的特征的运载工具来实现。本发明的实施例反映在各个的从属权利要求中。

本发明使用氢和氧作为反应气体，优选氢和合成空气，合成空气优选地具有20-60体积％的氧含量。在将合成空气供应到燃料电池系统之前，合成空气以期望的比例由氮和氧混合。然而，作为替代，也可以使用纯氧作为反应气体。

根据本发明，一种特别构造的容器被用于储存反应气体。容器设计成使得氢和氧可以以液态填充并存储。可选地，还可以将液态或气态的氮储存在容器中。在容器中，液态的气体各自与它们的气态平衡。用于产生空气的氮和氧的混合在气体状态下在容器外部进行。

由于气体和液体的显著不同的密度，与以气态存储相同气体相比，以液态存储气体允许极大地节省体积。然而，液化氢、氧和氮以及使这些气体保持在液体状态需要非常低的温度，该温度取决于所施加的压力，并且在高于气体的临界温度时，无论施加压力的大小，液化是根本不可能的。

氧、氮和氢的相关物理性能如下表所示。

图中所示的沸腾温度以及所示的密度分别在其标准条件下获得。

从填充反应气体容器的时间到要执行的任务结束，即直到燃料电池系统不再必须输送输出为止，将反应气体保持在液体状态是必要的。这样的任务可以持续几个小时，例如2或3或4小时或者也可以持续几天。采用相应地大的反应气体容器，还可以储存用于更长时间周期的反应气体，例如2或3周。与较小的反应气体容器相比，大的反应气体容器具有相对较低的汽化速率的优点。

由于缺乏空间，排除了反应气体的主动冷却。此外，主动冷却将消耗额外的能量。因此，必须通过适当的隔热体来确保液体状态在所需时间段内的维持，由于隔热体也需要空间，这是不利的。

根据本发明，利用反应气体的不同的沸腾温度和临界温度来利用反应气体作为彼此相互的隔热材料。这通过根据本发明的反应气体容器以“组合反应气体容器”的形式的特殊构造而成为可能。通过该解决方案，各个存储容器(罐)彼此“嵌套”。

具有最低沸点的气体，氢气，总是储存在最内部的存储容器(氢罐)中。在本发明的最简单的实施例中，氢罐由用于储存氧的容器(氧罐)包围，即氢罐位于氧罐内。为了储存氧，存在未被氢罐占据的体积。氧罐又被隔热体包围。

隔热体可以以包围氧罐的附加容器的形式被提供，即氧罐位于隔热容器内部。隔热效果优选地通过抽真空隔热容器或未被氧罐占据的空间来实现。作为替代，隔热容器或未被氧罐占据的空间也可以填充有气态或液态氮。根据另一替代方案，也可以通过包围氧罐的保冷来实现隔热。可行的保冷材料本身是已知的，例如聚苯乙烯泡沫或膨胀的软木石板。

当燃料电池系统要用合成空气运行时，所必需的氮气的储存在单独的存储容器(例如常规的加压气体容器)中或者组合反应气体容器中进行。

优选在组合反应气体容器中储存氮。根据本实施例，根据本发明的反应气体容器还包括在氧罐内的用于液氮的罐，并且氢罐位于氮罐内。在外周处，又设置有隔热体，例如以被抽真空的容器的形式。反应气体容器因此具有洋葱状结构：用于储存氢的容器被用于储存氮的容器包围，该用于储存氮的容器又被用于储存氧的容器包围，后者由被抽真空的容器包围。

优选地，每个罐由相应的外部罐或相应的隔热体完全地包围。因此，每个罐完全地位于另一个罐内或隔热外壳内。术语“完全地”应被理解为这样的效果：由导管带来的中断是可接受的，即，到内部罐的导管可以穿过外部罐和隔热体，例如用于气体的填充/导出导管和/或用于传感器(如压力传感器)的信号传输线。

根据本发明的实施例，各个罐被分别地制造并组装或焊接在一起；自然地，只有内部罐可以由单件制成。在本实施例中，除最内部罐以外的每个罐具有内壁和外壁，罐的内壁构成容纳下一个内部罐的腔。

根据不同的实施例，各个罐被形成仅在反应气体容器的制造工艺的过程中通过利用另一外壳来包围相应的完成的罐而形成另一个罐。因此，各个罐在向外方向上增加尺寸，而可用于储存气体的空间仅仅是被包围的罐的壁和用来包围的罐的壁之间的空间。

在各个罐(即氢罐和氧罐或氢罐、氮罐和氧罐)之间，可以提供附加的隔热体，每个，例如，是以被抽真空的容器的形式。

反应气体容器的形状，特别是反应气体容器的外部构型，优选地与其中将安装反应气体容器的运载工具或其它装置中的空间的形状相匹配。根据本发明的具有优化使用空间的反应气体容器以特别有利的方式用于载人或无人(自主)水下航行器中。这种水下航行器为具有基本圆形横截面的细长形状(“雪茄形状”)。因此，根据本发明的反应气体容器，至少关于其外部尺寸，也将被设计为“雪茄形状”，并且优选地以最适宜的方式填充可用的安装腔。

内部罐的形状基本上是任意的，只要各个罐彼此配合，每个罐提供足够的空间用于储存所提供的气体并且被充分隔热。如从外部看到的，各个罐通常具有基本上相同的几何形状(除了尺寸)，即每个容器的形状通常是相应内部容器的形状的基本放大的实施。

优选的是具有简单几何形状的同心的(konzentrische)容器，例如球体，圆柱体，旋转椭球体以及扁平的球体、圆柱体或旋转椭球体。圆形形状基本上是优选的，但是也可以是有角的形状，例如具有正方形或六边形横截面的罐。

根据本发明的反应气体容器的尺寸当然取决于容纳在容器中的反应气体的量，并且还取决于由反应气体容器要安装的空间的预定的几何形状。作为用于定向的示例，示出了用于自主水下航行器的反应气体容器，该容器要容纳用于产生约250kWh电能的大约12kg氢、大约6kg氧和高达约1kg的氮。这种反应气体容器将具有长度大约为180-200cm，直径约40-44cm(外部尺寸)的“雪茄形状”。所需的氮的量低，因为氮优选被循环利用。当燃料电池用纯氧运行时，可以省去氮罐的设置。

反应气体容器的尺寸优选地使得其能够承受30MPa的压力(没有超过临界气体压力的预防措施)。这对应于气态氮的填充压力。隔热体被优选地被选择，使得来自环境的热通量决不会导致超过临界气体压力，这在不超过氧、氮和氢的相应临界温度时被确保。此外，在燃料电池工作期间，有气态的反应气体被从反应气体容器内连续地导出，由此另外控制并防止了反应气体容器中的压力增加。此外，优选地提供保护元件，例如压力释放阀，以用于由于任意原因本应当超过气体的临界压力的情况。通常以距离临界压力20-40％的距离的安全边界保护生效，对于氢来说约为0.8MPa。具有这种保护的罐需要设计成仅用于相对较低的压力。

如上所述，根据本发明的反应气体容器的实施例仅具有氢罐和包围氢罐的氧罐，氧罐由隔热体包围。氮单独储存。然而，优选地在氢罐和氧罐之间设置氮罐。氮在此有利地实现阻挡气体的功能，即，可能的氢和/或氧的泄漏将在它们与相应的其他气体相遇并产生危险情况之前先进入氮罐。另外，氮罐可以被加压，使得可能的泄漏具有不是氢或氧进入氮罐的，而是氮进入氢罐或氧罐的效果。该缺点可以通过压力监测来检测，即通过在相应的罐中提供压力传感器。

在氮以气态形式储存的情况下，氮罐当然不会在临界压力下被保护。

在特别优选的实施例中，根据本发明的反应气体容器设置有自支撑结构。为了确保自支撑结构，优选地在容器的内部空间中设置有支撑件或加强件，优选地以蜂窝状结构的形式。这可能是必需的，特别是在较大容器的情况下，而较小容器也可设置有不具有加强件的自支撑构造。

通过根据本发明的反应气体罐在彼此内部的布置，设计用于储存具有最低沸腾温度的气体的罐是最内部的罐，并且设计用于储存具有最高沸腾温度的气体的罐是最外部的罐，有这样的效果：气体氢和氧，或氢、氮和氧从内部向外部的环境温度的逐步隔热。除了空间的优化使用之外，这具有附加的优点，即不需要在各种反应气体容器之间提供复杂的悬架以最小化热通量。

为了分别地向反应气体容器填充反应气体和从反应气体容器中导出反应气体，设置有导管；导管必须从内部罐延伸穿过包围内部罐的外部罐。优选地，填充/导出导管也至少部分地布置在彼此内部。

根据本发明的反应气体容器在即将开始需要供应的燃料电池的运行之前填充反应气体。氢罐填充液态氢，氧罐填充液态氧。氮罐可以填充液态或气态氮，优选填充液氮。气态氮(填充压力约30MPa)由于相邻罐中的气体的温度而至少部分液化，相邻罐中的液态气体被不必要地加热。燃料电池系统在填充反应气体容器之后立即投入运行。为了运行燃料电池，气态氢连续地从氢罐导出并被供应到阳极。同时，气态氧和气态氮分别从氧罐和氮罐连续地导出，并且通过在反应气体容器外部混合氧和氮，产生氧含量优选为20-60体积％的合成空气并提供给阴极。作为替代，也可以向阴极提供纯氧。在这种情况下，不需要氮罐。液体和气体的聚集状态在各个罐中均处于平衡。由于反应气体的相互隔热以及反应气体从各个罐中连续导出，确保了各个罐中的气体保持在液态，同时总是有足够的气体(即气态物质)可用于运行燃料电池，但没有超过各反应气体容器的安全压力。每种气体的安全水平优选地设置在低于相应气体的临界压力大约20至40％的过压。

根据优选实施例，根据本发明的反应容器安装在诸如可互换框架或机架框架的装置中，使得在运载工具外部毫无问题地进行填充并分别进行反应容器的更换成为可能。

附图说明

下面将通过附图进一步详细解释本发明。需要指出的是，图的数据和比例并非真实的。此外，仅示出了理解本发明所必需的各个特征。应当理解为，可以提供附加特征，并且所示特征还可以用于除了具体附图中所示的组合之外的其它组合。相同的附图标记每个表示相似或相应的元件。在附图中：

图1是根据本发明的燃料电池系统的高度示意性表示，

图2A、2B、3、4、5、6示出了根据本发明的反应气体容器的各种实施例沿图1中的A-A'线的截面的剖面示意图。

图7A是带有用于反应气体的供应/导出导管的根据本发明的反应气体容器的实施例的示意性截面图，

图7B是供给/导出导管沿图7A中的B-B'线的示意性截面图，

图7C是供给/导出导管沿图7A中的C-C'线的示意性截面图，

图8是带有用于反应气体的供应/导出管线的根据本发明的反应气体容器的替代实施例的示意图，

图9是用于供应/导出反应气体的分支管线的示意图。

具体实施方式

根据本发明的燃料电池系统2在图1中示意性地示出。燃料电池系统2包括作为基本组成部分的燃料电池3以及根据本发明的反应气体容器1。当然，燃料电池系统不仅包括单个燃料电池，而是包括燃料电池堆或多个燃料电池堆。然而，为了便于表示，仅示出了单个燃料电池。在燃料电池系统2的运行中，气态氢通过导管16从反应气体容器1供给到阳极4，而气态氮和气态氧分别经由导管26和36从反应容器1中导出，相互混合在一起与并通过共用导管供给到阴极5。燃料电池(或燃料电池堆)3还包括冷却系统，其通过冷却板6和冷却回路7被示意性地示出，冷却回路7具有常见的外围元件(未示出)，诸如例如热交换器和分离罐。废气和废水经由通向废气处理厂(未示出)的导管8排出。废气和废水将需要被收集，可能地被分离、压缩和临时存储，直到任务结束。部分回收也是可能的。

在以下的图中，示出了沿图1的A-A'线的截面的反应气体容器1的内部结构的各种实施方式。

在图2A所示的反应气体容器1的实施例中，氢罐10是具有圆形横截面的细长容器，其适合于填充和储存液态氢。氢罐10例如由金属构成并且具有壁10'。氢罐10位于氮罐20内。氮罐20具有外壁20'，外壁20'为例如金属，并且适于用液态或气态氮的填充。用于储存氮的空间是在壁10'和20'之间形成的中间空间。氮罐20位于氧罐30内。氧罐30具有壁30'，壁30'为例如金属，与氢罐10和氮罐20同样是具有圆形横截面的细长容器。它适合于填充和储存液态氧。用于容纳氧的空间是在氮容器20的壁20'和氧气容器30的壁30'之间形成的中间空间。氧容器30位于附加容器40内，附加容器40为例如金属，具有壁40'。容器40为具有圆形横截面的细长形，并且可以被抽真空以便构成用于容器10、20、30的隔热体。

在图2A所示的实施例中，容器10、20、30、40同心地(konzentrische)布置。在壁10'和20'之间，壁20'和30'之间以及壁30'和40'之间，均设有未在图中示出的间隔件/固定件。还未示出的是罐10和30中的压力传感器，其可指示壁10'，20'中的一个中的可能的泄漏，导致氮流入罐10或罐30，以及安全元件，用于可能的压力增加进入临界压力的范围的情况。

通过以所示方式布置气体，其中具有最低沸腾温度和最低临界温度的气体储存在最内部容器中，而具有最高沸腾温度和最高临界温度的气体储存在最外部容器中，确保所有储存的气体的缓慢且均匀的加热，从而确保气体的连续可导出性。

图2B示出了对应于图2A所示的实施方式的反应气体容器1的实施方式，除了真空容器40在这里由可以填充有液态或气态氮的附加氮罐29替代之外。作为隔热外壳的另一替代方案，也可以使用已知的隔热材料。

在图3所示的实施例中，反应气体容器1具有椭圆形横截面。与图2A和2B所示的实施例不同的是，氢罐10、氮罐20和氧罐30彼此完全独立，即，各个罐在物理上彼此分离。氮罐20具有外壁20'和内壁20”，氧罐30具有外壁30'和内壁30”。氮罐20位于由氧罐30的内壁30”构成的腔中，氢罐10位于由氮罐20的内壁20”构成的腔中。氢罐10的外壁10'和氮罐20的内壁20”的中间空间，以及氮罐20的外壁20'和氧罐30的内壁30”之间的中间空间适于被抽真空以增强隔热，即它们构成隔热体15、25。如图2A所示，附加空间40适于被抽真空构成外隔热体。

作为圆形或圆的横截面的替代，反应气体容器1也可以具有有角的横截面。这样的实施例在图4中示出，这里所示的反应气体容器1是六边形设计。图4示出的实施例与先前图中所示的实施例的不同之处在于，其不具有氮罐，而仅具有氢罐10和氧罐30，而单独的加压气体容器50用于储存氮。氢罐10和氧罐30之间的空间或容器35以及包围氧罐30的空间或容器40适于被抽真空以形成隔热体。作为替代，隔热体35和/或隔热体40可以由隔热材料构成。

按照根据本发明的反应气体容器1的另一实施例，各个罐10、20、30具有不同的几何构形并且不彼此同心地(konzentrische)布置。这样的实施例在图5中示出。在本实施例中，氢罐10和氮罐20彼此并排设置，并且共同地由氧罐30包围。

为了在反应气体容器1的位置位移的情况下确保反应气体的均匀的可导出性，单个罐可以被细分为若干段。这样的实施例在图6中示出。图6所示的反应气体容器1的实施例与图2A所示的实施例的不同之处在于，氢罐10，氮罐20和氧罐30每个均被细分为八个部分，可以分别从其中单独地导出氢，氮和氧。氢罐的部分11、12、13、14位于绘图平面的前面，并且相同的部分11'、12'、13'、14'位于绘图平面的后部。氮罐的部分21、22、23、24位于绘图平面的前面，并且相同的部分21'、22'、23'、24'位于绘图平面的后面。氧罐的部分31、32、33、34位于绘图平面的前面，并且相同的部分31'、32'、33'、34'位于绘图平面的后部。

图7和图8示出用于向罐填充氢、氮和氧的填充/导出导管的实施例。在图7A所示的反应气体容器1的实施例中，氢容器10包括导管16，氢气容器10分别地通过导管16填充氢，并通过其导出氢。通过具有阀17'的导管17进行填充，并且通过具有阀18'的导管18进行导出。氮容器20包括导管26，氮分别地通过导管26被填充到氮容器20，并且通过其导出氮。通过具有阀27'的导管27进行填充，并且经由具有阀28'的管线28实现导出。氧罐30包括导管36，氧分别地通过导管36被填充到氧罐30中，并且通过其导出氧。填充通过具有阀37'的导管37实现，并且经由具有阀38'的管线38实现导出。

以类似于罐10、20、30的方式，导管16、26、36彼此同心地(konzentrische)布置，如从图7B和7C可以看出的。图7B示出沿图7A中的B-B'线的截面,图7C示出沿图7A中的C-C'线的截面。

在图8所示的实施例中，导管16、26、36彼此分开地从罐10、20、30引出到外部。

图9通过导管16的示例示意性地示出了如何以稳定和连续的方式从容器10、20、30中导出氢(以及类似地氧和氮)。导管16设有分支管线16'、16”、16'”，每个分支管线具有用于导出反应气体的开口19。

Claims (16)

1.一种燃料电池系统反应气体容器(1)，包括：

用于储存液态氢的氢罐(10)，

用于储存液态氧的氧罐(30)，和

可选地，用于储存液态或气态氮的氮罐(20,29)，

其特征在于，所述氢罐(10)至少部分地位于所述氧罐(30)内，并且所述氧罐(30)至少部分地由隔热体(40)包围。

2.根据权利要求1所述的燃料电池系统反应气体容器(1)，

包括氮罐(20)，所述氮罐(20)位于所述氧罐(30)的内部和所述氢罐(10)的外部。

3.根据权利要求1或2所述的燃料电池系统反应气体容器(1)，

包括氮罐(20)，所述氢罐(10)位于所述氮罐(20)的内部。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的燃料电池系统反应气体容器(1)，

其中所述隔热体(40)被设计为被抽真空或适于被抽真空的腔。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的燃料电池系统反应气体容器(1)，

其中所述氢罐(10)、所述氧罐(30)和可选地所述氮罐(20,29)被设计为具有不同尺寸但具有基本上相同的几何形状的同心(konzentrische)容器。

6.根据权利要求1至4中任一项所述的燃料电池系统反应气体容器(1)，

其中所述氢罐(10)和所述氧罐(30)以及可选地所述氢罐(10)和所述氮罐(20,29)被设计为具有不同尺寸和不同几何形状的同心容器。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的燃料电池系统反应气体容器(1)，

其中所述氢罐(10)和/或所述氧罐(30)和/或所述氮罐(20,29)和/或所述隔热体(40)设有加强件。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的燃料电池系统反应气体容器(1)，

其中所述氮罐(20)适于向其施加压力，并且所述氢罐(10)和/或所述氧罐(30)设置有压力传感器。

9.根据权利要求1至8中任一项所述的燃料电池系统反应气体容器(1)，

其中所述容器具有旋转椭球体的形状。

10.根据权利要求9所述的燃料电池系统反应气体容器(1)，

其中所述容器具有150-250cm的长度和35-45cm的直径，所述氢罐(20)被设计为存储10-14kg的液态氢，所述氧罐(30)被设计为存储5-7kg液态氧，并且可选地，提供用于储存高达1kg液态或气态氮的氮罐(20,29)。

11.根据权利要求1至10中任一项所述的燃料电池系统反应气体容器(1)，

其中所述氢罐(10)和/或所述氧罐(30)和/或可选地所述氮罐(20,29)被细分为两个或更多个段。

12.根据权利要求1至11中任一项所述的燃料电池系统反应气体容器(1)，

其中所述氢罐(10)、所述氧罐(30)和可选地所述氮罐(20,29)包括用于填充和导出气体的导管，所述导管彼此同心地(konzentrische)布置。

13.一种燃料电池系统(2)，包括具有阳极(4)和阴极(5)的至少一个燃料电池(3)和反应气体容器，

其特征在于，所述反应气体容器是如权利要求1至12中任一项所述的反应气体容器(1)。

14.根据权利要求13所述的燃料电池系统(2)，

其中所述氮罐被设计为单独的加压气体罐(50)。

15.一种运载工具，如载人或无人水下航行器，包括燃料电池驱动器，

其特征在于，它包括根据权利要求13或14所述的燃料电池系统(2)。

16.根据权利要求15所述的运载工具，

其特征在于，所述反应气体容器(1)的外部构型与所述运载工具内提供的用于安装所述反应气体容器的空间的形状相匹配。