CN108091906B - 燃料电池装置，具有其的车辆和燃料电池装置的操作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了用于车辆的燃料装置、具有燃料电池装置的车辆以及用于燃料电池装置的操作方法。燃料电池装置包括第一管道、第二管道和压力调节器。第一管道将气罐连接到燃料电池。第二管道将燃料电池与第二管道的开口端连接。燃料电池被布置成由包含在气罐中的蒸发的液化气驱动。压力调节器被布置成控制液化气的蒸发。

Description

燃料电池装置，具有其的车辆和燃料电池装置的操作方法
相关申请的交叉引用
本申请要求于2016年11月21日提交的申请号为102016222935.4的德国专利的优先权和权益，其全部内容通过引用并入本文。
技术领域
本发明涉及燃料电池装置、具有这种燃料电池装置的车辆以及燃料电池装置的操作方法。特别地，车辆是由液化气(简称LG)，特别是液化天然气(简称LNG)或液化合成气驱动。
液化天然气是已经被转化成液态的天然气，以便于存储或运输。其占气态天然气体积的1/600左右。天然气通常在接近大气压时通过将其冷却到大约-162℃(-260℉)而被压缩成液体，其中最大输送压力设定在大约25千帕(4psi)。
液化天然气实现比压缩天然气(缩写为CNG)更高的体积减小量，使得LNG的(体积)能量密度是CNG的(体积)能量密度的2.4倍，或者是柴油(体积)能量密度的60％。这使得LNG在不存在管道的长距离输送情况下具有成本效益。
除了上面提到的液化气的特性之外，特别设计的低温海船(LNG运输船)或低温油罐车用于它的运输。LNG主要用于将天然气输送到市场，在那里将天然气再气化并分配为可用于天然气车辆的管道天然气。
其相对较高的生产成本和需要将其存储在昂贵的低温贮罐中阻碍了广泛的商业用途。在能源基础上，预计LNG的产量在不久的将来会增加。
此外，可以获得大量的天然气和合成气(即来自生物质或费-托合成)。这些气体的输送通常需要液化(如上所述的体积效益)。
现有技术中用于运输天然气的应用大多使用压缩天然气。因此，液化气必须从液态转变回气态。此外，为了通过合理的贮罐尺寸达到可接受的操作范围，必须对气体加压。这个过程是非常低效且是耗能的。
为了克服这个瓶颈，比如能源浪费，液化气被直接加注在气罐中。明确并且强制性的是，用于存储液化气的气罐通常要格外进行隔离，以尽量减少液化气的蒸发。
上面详细说明了蒸发过程和相关问题(1升液化气对应于600升天然气以及液化气的存储条件)。通常，在车辆的行驶模式期间，液化气的蒸发不是问题，因为蒸发的液化气在内燃机，例如燃气轮机或活塞发动机中燃烧。当车辆停放在通风不良或没有通风的地方时，就开始有挑战了，并且根据贮罐的压力限制，比如，例如欧洲的“压力设备指令97/23/EC(PED)”，液化气不能存储在专用罐中(也参见上文)。例如，这可能是一个公共场所或私人停车场。在停车模式期间，操作内燃机来燃烧蒸发的气体通常是不可取的。放出蒸发的液化气也是危险的，因为会由于一氧化碳和/或二氧化碳排放，导致车辆周围产生有毒的环境。例如，车库将成为毒气室。
因此，液化气需要上述的专用罐，其中为了提供合理的里程，在对车辆的贮罐，即所谓压缩气罐加注燃料之前，气体必须被高度加压。
另外，液化气需要在液化气罐中被冷却。因此，需要冷却或需要蒸发的液化气的成本密集型气体管理。
因此，需要有效地利用蒸发的液化气。例如，还需要将液化气存储在没有特殊处理的常规的储罐中。也就是说，需要车辆以节能和环保的方式管理例如在车辆中的蒸发的液化气，以广泛地用于商业用途。
US 6798083B2涉及一种用于燃料电池的低温功率调节系统，其通过用于为这些燃料电池供电的液态氢或液态天然气(甲烷)或由高温超导电缆供应的液态氮来进行冷却。
发明内容
本发明涉及燃料电池装置、使用燃料电池装置的车辆以及燃料电池装置的操作方法。
根据本发明的一个实施例，用于车辆的燃料电池装置包括第一管道，其中第一管道将气罐连接到燃料电池，气罐被配置成存储液化气；以及第二管道，其中第二管道将燃料电池与第二管道的开口端连接；以及压力调节器。燃料电池被布置成由来自气罐的蒸发的液化气驱动，其中压力调节器被布置成控制液化气的蒸发。
本文描述的燃料电池装置可以容易地适用于液化气驱动的车辆。通过采用本文描述的燃料电池装置，气罐可以具有常规的形状。换句话说，气罐不一定具有瓶型的形状或几何形状。
第一管道和第二管道可以包括聚合物材料，例如橡胶。因此，特别地，本发明的管道可以是弹性的，由此可以容易地实现液化气驱动的车辆中的燃料电池装置的适配。
第二管道的开口端可以被配置成从周围的空气中接收氧气。第二管道与燃料电池的阴极连接，其中第一管道与燃料电池的阳极连接。换句话说，燃料电池可以是氢氧燃料电池。
术语“液化气”也指“液化天然气”。
根据本发明的另一实施例，提出具有相应燃料电池装置的车辆。
根据本发明的又一实施例，提出燃料电池装置的操作方法。
本发明的一个方面是将蒸发的液化气引导至燃料电池以将其转化成电能而不必驱动内燃机。电能可以容易地进行处理，或者将其存储在电池中或者用于车辆的调节，例如加热或者冷却。基于燃料电池产生的能量也可被用于供应电网。当诸如电池的车辆的电能存储部被完全充满电时可以是这种情况。
本发明的另一方面是根据车辆的运行模式使得能够使用液化气作为内燃机的高效能源以及使用气罐的蒸发的液化气以在燃料电池中产生电能。
本文描述的燃料电池装置也可以用于例如车辆、卡车、公共汽车或火车。基于本发明的另一方面，在给气罐加注燃料之前，不需要诸如压缩或加压的另外的燃料处理。
由于非常严格的排放法规(噪音和污染物)，特别是在美国，对于在停车模式期间用液化气作为用于推进的燃料的卡车来说，使用内燃机来为卡车提供电能具有挑战性。因此，需要为卡车提供电能，其中燃料电池装置被用作辅助动力单元。因此，不但没有违反法规，而且有效利用了气化的气体或蒸发的液化气。除了卡车的电源之外，也可以给冷却容器供应燃料电池装置中产生的电能。
本文描述的燃料电池装置尤其具有在车辆的任何运行模式中能够以节能和环保的方式使用液化气的优点。在这个背景下，应该理解，术语“操作模式”可以是“行驶模式”、“待机模式”、“怠速模式”或“停车模式”。特别是在液化气驱动的车辆的停车模式或怠速模式期间，在通风很少或没有通风的区域，可以有效地使用蒸发的液化气。
根据另一实施例，压力调节器检测气罐内的超压。可以检测超压以有效地操作燃料电池。压力调节器在车辆的行驶模式期间可以被关闭，或在停车模式或怠速模式期间可以被打开。可选地，在车辆的行驶模式期间，压力调节器可以同时被打开。
根据又一实施例，压力调节器被布置在气罐和燃料电池之间。压力调节器可以在气罐内超压的情况下调节由于液化气的清吹而造成的气罐中的压力。也就是说，常规的气罐可以用来存储液化气。进一步地，液化气可以在不加压的情况下直接在燃气罐中加注燃料。
根据更进一步的实施例，第一管道包括第一阀，其中第一阀被布置在燃料电池和压力调节器之间。在通过压力调节器检测超压后，第一阀可以被打开。第一阀可以与压力调节器通信，该压力调节器与气罐的压力状态有关。第一阀可以是止回阀或压力阀，或适用于燃料电池装置的任何种类的阀。
根据另一个实施例，第二管道包括压缩机和第二阀，其中压缩机被布置在第二管道的开口端和第二阀之间。换句话说，第二阀被布置在燃料电池和压缩机之间。第二阀可以是止回阀或压力阀，或适用于燃料电池装置的任何类型的阀。压缩机被布置成通过在压缩机中加压的氧气来有效地驱动燃料电池。第二阀可以与压缩机和/或燃料电池通信，其中第二阀可以被布置成根据燃料电池中的氢浓度而被关闭或被打开。氢气经由第一管道以来自气罐的蒸发的液化气的形式被供应。
根据另一实施例，第一管道包括设置在第一阀和压力调节器之间的另外的压缩机和/或另外的调节器。
根据又一实施例，第一阀、第二阀、压缩机、另外的压缩机或另外的调节器与电池控制单元连接。电池控制单元可以进一步与电能存储部连接。电池控制单元可以根据诸如电池的电能存储部的充电状态与燃料电池装置的相应部件即第一阀、第二阀、压缩机、另外的压缩机或另外的调节器通信。
在电池完全充电的情况下，能量可以用于操作电力推进器或用电装置。或者，可以在驱动模式期间将能量供应到电网。换句话说，电能可以用于驱动，由此内燃机可以保持在“待机”模式。此外，可以经由内燃机的直接推进和基于燃料电池装置中产生的能量的电力推进来同时驱动车辆。或者，在停车模式期间例如通过使用插入式混合动力解决方案，能量可以被供应到电网。
根据又一实施例，气罐经由第三管道与内燃机连接。液化气用于驱动内燃机。当燃料电池装置处于待机模式时或当压力调节器在行驶模式期间被关闭时，第三管道向内燃机供应液化气。车辆可以可选地同时经由内燃机和电力推进器被驱动，其中在燃料电池装置内产生用于电力推进器的能量。
根据另一实施例，燃料电池，特别是燃料电池堆与电能存储部连接。燃料电池或燃料电池堆可以被布置成直接与电能存储部连接。或者，燃料电池或燃料电池堆可以被布置成经由电能存储控制单元(所谓的电池控制单元)间接地与电能存储部连接。电能存储部存储经由燃料电池产生的能量。因此，在停车模式期间燃料电池装置可以持续工作。电能可以存储在例如车辆电池中，或者可以直接用于车辆的用电装置，或者可以被供应到电网。
根据又一实施例，燃料电池装置在车辆的停车模式或怠速模式期间工作。因此，可以不考虑根据诸如，例如根据欧洲的“压力设备指令97/23/EC(PED)”的油罐的压力限制来构造气罐。
根据另一实施例，本发明包括用于燃料电池装置的操作方法。
在第一步骤中，提供第一管道和第二管道，其中第一管道将气罐连接到燃料电池，并且其中第二管道将燃料电池与第二管道的开口端连接。
在第二步骤中，燃料电池由压力调节器经由蒸发的液化气驱动，其中蒸发的液化气由压力调节器来调节或控制。结合图5描述用于燃料电池装置的操作方法的详细示例。
根据本发明的另一个实施例，车辆可以由内燃机来驱动，也可以通过电力推进器来驱动，其中操作电力推进器所需的能量由燃料电池装置供应。
本文描述的燃料电池装置的特征也被公开用于具有相应的燃料电池装置的车辆以及用于燃料电池装置的操作方法，反之亦然。
附图说明
图1是说明根据本发明的实施例的燃料电池装置的功能的示意图；
图2是说明根据本发明的实施例的车辆中的装配的燃料电池装置的示意图；
图3a-3c是说明在根据本发明的实施例的车辆中的燃料电池装置的不同操作模式下的功能的示意性流程图；以及
图4是具有根据本发明的实施例的燃料电池装置的车辆。
图5是用于根据本发明的实施例的燃料电池的操作方法的流程图。
除非另有指示，否则附图中相同的附图标记表示相同的元件。
具体实施方式
图1是说明根据本发明的实施例的燃料电池装置的功能的示意图。
图1示出了用于优选车辆200的燃料电池装置100(由虚线表示)的功能。燃料电池装置100包括第一管道10，其中第一管道10将气罐30连接到燃料电池50，特别是燃料电池堆；以及第二管道20，其中第二管道20将燃料电池50与第二管道20的开口端21连接。气罐被配置成存储液化气，特别是液化天然气。第二管道20的开口端21可以被配置成从周围空气中接收氧气。第二管道20与燃料电池50的阴极连接，其中第一管道10与燃料电池50的阳极连接。此外，燃料电池装置100包括压力调节器40。
燃料电池装置100的燃料电池50被布置成由气罐30的蒸发的液化气驱动，其中压力调节器40被布置成控制液化气的蒸发。压力调节器40检测气罐30内的超压。通过检测超压，燃料电池装置100可以被有效地操作。压力调节器40可以在车辆200的行驶模式期间被关闭，或者可以在停车模式期间被打开。
如图1所示，压力调节器40被布置在气罐30和燃料电池50之间。如果气罐30中发生超压，压力调节器40可以调节由于液化气的清吹(purge)而导致的气罐30中的压力。此外，第一管道10包括第一阀11，其中第一阀11布置在燃料电池50与压力调节器40之间。第二管道20包括压缩机22和第二阀25，其中压缩机22被布置在第二管道20的开口端21和第二阀25之间。压缩机22可以被布置成通过压缩机22中加压的氧气来有效地驱动燃料电池50。
如图1所示，第一管道10包括布置在第一阀11和压力调节器40之间的另外的压缩机12和/或另外的调节器13。另外的压缩机12和/或另外的调节器13可以被布置成通过在压缩机中加压的和/或由调节器调节的液化气的氢气来有效地驱动燃料电池50。
燃料电池装置100进一步包括电池控制单元70。电池控制单元70与第一阀11、第二阀25、压缩机22以及燃料电池装置100的另外的压缩机12和/或另外的调节器13连接。另外的压缩机12和/或另外的调节器13被布置在压力调节器40和第一阀11之间的第一管道10中。电池控制单元70可以经由电连接81进一步与电能存储部80连接。电池控制单元根据例如电池的电能存储部80的充电状态尤其可以与相应的部件，即第一阀11、第二阀25、压缩机22以及燃料电池装置100的另外的压缩机12或另外的调节器13通信。
图2是说明根据本发明的实施例的车辆中的装配的燃料电池装置的示意图。
图2通常基于图1的燃料电池装置，不同之处在于，气罐30经由第三管道31与内燃机35连接。特别地，内燃机35由液化气驱动。
图3a、图3b和图3c是说明在根据本发明的实施例的车辆中的燃料电池装置的不同运行模式下的功能的示意性流程图。
图1描述了燃料电池装置100的功能，其中，如图3a、图3b和图3c中描述的燃料电池装置另外与电气装置90连接。特别地，电气装置90是用于例如电动涡轮或加热器的电力推进器的电动机。另外，内燃机35可以包括产生用于电力推进器的电能的发电机36。发电机36可以选择性地布置在电力推进器和内燃机35之间。
图3a示出了标准的发动机操作模式(由虚线箭头表示)。在标准的发动机操作模式期间，液化气在内燃机35中燃烧。特别地，该能量用于车辆200的直接推进。
图3b示出了与电能生成相关的标准发动机运行模式(由虚线箭头表示)。换句话说，内燃机35和燃料电池装置100同时被驱动。在与电能生成相关的标准发动机运行模式期间，液化气在内燃机35中燃烧，其中液化气用于操作燃料电池装置100。获得的能量可以被存储在例如车辆电池的电能存储部80中。燃料电池装置100产生的能量可以用于车辆200的任何电气装置90，诸如车辆的电子助力器或用电装置。
图3c示出了内燃机35的无发动机操作模式，而是由气罐30的蒸发的液化气驱动的燃料电池装置100的操作(由虚线箭头表示)。在“无发动机运行模式”下，可以理解车辆200的停车模式。在停车模式期间，液化气被缓慢地加热并在燃料电池装置100的方向上蒸发。根据本发明，蒸发的液化气被用于经由燃料电池50产生电能。能量可以被存储在车辆200的电能存储部80中。特别地，获得的能量可被应用于车辆200的不同系统，例如空调或加热系统。也就是说，由燃料电池50产生的能量可以用于车辆的预处理。很显然，在停车模式期间，蒸发的液化气不会燃烧。另外，在电池完全充电的情况下，燃料电池装置100所产生的能量可被供应到车辆200的电网60。
图4是具有根据本发明的实施例的燃料电池装置的车辆。
图4示出了车辆200，其中车辆200包括燃料电池装置100。特别地，燃料电池装置100的燃料电池50在车辆的停车模式期间操作。同时，如上所述，在标准发动机运行期间可以驱动燃料电池装置100。
图5是根据本发明的实施例的燃料电池装置100的操作方法的流程图。
本文描述的方法优选地发生在车辆200的停车或怠速模式期间。图5中的箭头指示用于燃料电池装置100的操作方法的流向。
在燃料电池装置100的操作方法300的第一步骤S1中，设置第一管道10和第二管道20，其中第一管道10将气罐30连接到燃料电池50，并且其中第二管道20将燃料电池50与第二管道20的开口端21连接。
在第二步骤S2中，燃料电池50由压力调节器40驱动，其中压力调节器40检测、调节和/或控制蒸发的液化气的压力。
图5的流程图进一步包括步骤S3至S9以描述燃料电池装置100的示例性操作方法。
在步骤S2中，特别地，压力调节器40在预定时间内检测气罐30中的压力。压力调节器40可相对于气罐30内的蒸发的液化气的压力被校准。也就是说，压力调节器40将蒸发的液化气的压力与预定压力值进行比较，其中当蒸发的液化气的压力高于预定的压力值时，压力调节器40可以启动来操作第一管道10的第一阀11、另外的压缩机12、另外的调节器13以及第二管道20的第二阀25和压缩机22(在步骤S3)。也就是说，压力调节器40检测气罐30内的超压。
在步骤S3中，压力调节器40相对于预定压力值检测、测量和/或确定气罐30内的蒸发的液化气的压力或超压。
如果蒸发的液化气的压力高于或等于预定的压力值，则该方法可以执行步骤S6，其中，例如，第一管道10的第一阀11和第二管道20的第二阀25被打开。第二管道20的压缩机22可被布置成通过第二管道20的压缩机22中加压的氧气经由第二管道21的开口端有效地驱动燃料电池50。特别地，第二阀25可以与压缩机22和/或燃料电池50通信，其中第二阀25可以布置成根据燃料电池50中的氢气浓度被关闭或被打开，其中经由第一管道10以气罐的蒸发的液化气的形式供应氢气。以相应的方式，第一管道10的另外的压缩机12和/或另外的调节器13也可以基于超压被驱动或被操作。
在步骤S7中，在预定时间内检测蒸发的液化气的压力以及温度。在步骤S8中，压力调节器40再次测量蒸发的液化气的压力，例如，其中步骤S8基本上与步骤S6相同。在蒸发的液化气的压力低于预定压力值的情况下，意味着在气罐内未检测到超压，该方法执行步骤S9。
在步骤S9中，关闭第一阀11和第二阀25以及第一管道10和第二管道20的相应的压缩机12、压缩机22。如果在步骤S6中被打开，则调节器13在步骤S9中也被关闭。
在步骤S8中，如果液化气的压力仍然高于预定压力(也参见步骤S3)，则该方法自动地返回或保持步骤S6。
在该方法的步骤S3中，如果液化气的压力不高于或等于预定压力值，则可以在该方法的步骤S4中检测气罐30中的温度。为了确定温度，可以使用温度传感器。如果气罐30中的温度不高于预定温度值，则该方法可以返回到该方法的步骤S2(即压力调节器40在预定时间内检测气罐30中的压力)。如果气罐30中的温度高于预定温度，则在该方法的步骤S5中，对步骤S2的预定时间进行校准或重新调整，以优化用于燃料电池装置100的操作方法。例如，可以减少预定时间的值，其中在减少步骤S5中预定时间之后，该方法可以返回到该方法的步骤S2。
本文描述的方法不限于这个实施例。也可以想到的是，燃料电池装置通过仅在车辆的操作模式(即超压)期间检测液化气的蒸发来起作用。
已经结合车辆描述了本文上述的燃料电池装置。然而，本领域技术人员将理解，本文描述的燃料电池装置可以应用于包括由液化气尤其是天然液化气驱动的内燃机的各种对象(例如卡车)。

Claims (13)

1.一种用于车辆的燃料电池装置，包括：
第一管道，其中所述第一管道将气罐连接到燃料电池，所述气罐被配置成存储液化气；
第二管道，其中所述第二管道将所述燃料电池与所述第二管的开口端连接；以及
压力调节器
其中，所述燃料电池被布置成由来自所述气罐的蒸发的液化气驱动，并且其中所述压力调节器被布置成控制所述液化气的蒸发，并且
其中当所述车辆处于停车模式或怠速模式时，所述压力调节器在所述气罐中的蒸发的液化气的压力高于或等于预定压力值时将所述蒸发的液化气从所述气罐供应到所述燃料电池，并且在所述气罐中的所述蒸发的液化气的压力低于所述预定压力值时不将所述蒸发的液化气从所述气罐供应到所述燃料电池。
2.根据权利要求1所述的燃料电池装置，其中，所述压力调节器检测所述气罐内的超压。
3.根据权利要求1所述的燃料电池装置，其中，所述压力调节器被布置在所述气罐与所述燃料电池之间。
4.根据权利要求1所述的燃料电池装置，其中，所述第一管道包括被布置在所述燃料电池和所述压力调节器之间的第一阀。
5.根据权利要求4所述的燃料电池装置，其中，所述第二管道包括压缩机和第二阀，其中所述压缩机被布置在所述第二管道的开口端和第二阀之间。
6.根据权利要求5所述的燃料电池装置，其中，所述第一管道包括被布置在所述第一阀和所述压力调节器之间的另外的压缩机或另外的调节器。
7.根据权利要求6所述的燃料电池装置，其中，所述第一阀、所述第二阀、所述压缩机、所述另外的压缩机或所述另外的调节器与电池控制单元连接。
8.根据权利要求1所述的燃料电池装置，其中，所述气罐经由第三管道与内燃机连接。
9.根据权利要求1所述的燃料电池装置，其中，所述燃料电池与电能存储部连接。
10.根据权利要求9所述的燃料电池装置，其中，所述燃料电池是燃料电池堆。
11.一种车辆，所述车辆具有根据权利要求1所述的燃料电池装置。
12.根据权利要求11所述的车辆，其中，所述燃料电池装置在车辆的停车模式、待机模式或行驶模式期间操作。
13.一种用于根据权利要求1所述的燃料电池装置的操作方法。
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