CN110534771A - 用于燃料电池优选氢气操作的燃料电池的空气供应的装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于燃料电池（10）优选为利用氢气操作的燃料电池（10）的通过两个压缩机级的空气供应的装置（1），其设计成具有：涡轮增压器（20）的第一压缩机（21），其中压缩机（21）被有效驱动地连接到可由燃料电池的排放气流（A）驱动的涡轮增压器（20）的涡轮机（22）；以及第二压缩机（30），其中第一压缩机（21）的供应空气供应（21z）通过用于供应由第二压缩机（30）压缩的空气（L）的空气通道（31）连接到第二压缩机（30）。

Description

用于燃料电池优选氢气操作的燃料电池的空气供应的装置

技术领域

本发明涉及一种用于燃料电池的空气供应的装置，所述燃料电池尤其是利用氢气操作的燃料电池。

背景技术

常规地，燃料电池利用纯氢气操作，所述纯氢气在燃料电池中反应以形成水，并且在涡轮中释放电。通常，用于该目的的氢气被膨胀到压力容器之外并被输送到燃料电池。燃料电池中的燃烧所必需的空气是借助于电操作的鼓风机从环境吸入并输送到燃料电池。

例如，在DE 101 20 947 A1或在DE 10 2004 051 359 A1中描述了一般的现有技术。

在二者的印刷文档中，提供了两个压缩机级，并且常规系统旁路在通向涡轮机的入口的第二压缩机级之后分支。

虽然这种配置允许对空气供应的一定的调节，然而，其并未使得必需的自由度成为可能，以防止例如在具有被设计为涡轮压缩机的两个压缩机级的多种操作情况下，期望的流速率和压力可能量高效地被设置在燃料电池的区域中。

在汽车领域中，借助于涡轮增压器进行增压的燃料电池也是已知的。在这种情况下，引入空气被涡轮增压器的压缩机吸入，并且在燃烧期间生成的排放气体驱动涡轮增压器的涡轮机。如果需要，通过电动马达可将附加的电能输送到涡轮增压器的轴上，以抵消两个部件的热力学不平衡。

已知解决方案的缺点是其不能被能量高效地用于工业规模的能量生成。有需要提高能量效率并因此提高整个系统的效率。

因此，在此呈现的本发明的目标在于避免所提及的缺点以及陈述就供应到燃料电池的流速率和压力而言同时提供了高自由度和高能量效率的构造。

发明内容

根据本发明，此构造通过具有权利要求1中的特征的装置来解决。

本发明的基本思想在于使得可得到优选地具有压缩空气的中间冷却的两级增压系统，其中涡轮机的两个压缩机中的一个由燃料电池的排放气体驱动。

根据本发明，用于利用氢气操作的燃料电池的空气供应的装置经由用于此目的的两个压缩机级而变得可得到，所述两个压缩机级被设计成具有：涡轮增压器的第一压缩机，其中压缩机有效驱动地（drive-effectively）连接到可由燃料电池的排放气体流驱动的涡轮增压器的涡轮机；以及第二压缩机，其中第一压缩机的供应空气供应通过用于供应由第二压缩机压缩的空气的空气通道连接到第二压缩机。以此方式通过两个压缩机级压缩的空气被供应到燃料电池。

在本发明的优选配置中，在此提供的是，马达，优选地，电动马达，通过驱动轴驱动第二压缩机（第一压缩机级），或者第二压缩机的压缩机轮直接布置在驱动轴上。因而，电动马达不再驱动涡轮增压器，而是驱动作为压缩机级连接在涡轮增压器上游的单独的压缩机。因而，连接在上游的压缩机可直接安装在电动马达的轴上，这样的结果是能够显然降低设计花费。

在本发明的备选配置中提供的是，在燃料电池的供应侧上提供涡轮机，所述涡轮机有效流动（flow-effectively）地并入在用于将氢气供应到燃料电池的供应中，其中涡轮机通过轴有效驱动地连接到发电机，并且一旦发电机通过轴由涡轮机驱动，发电机就通过电连接线为马达提供电能。

备选地，除了由燃料电池生成的能量之外，由发电机生成的能量可部分地或完全地提供在燃料电池的输出处。互补地，控制装置还可在每种情况下取决于作为负载的函数的相应的电负载在电动马达和燃料电池上的输出之间划分能量。

出于此目的，具有发电机的涡轮机因而用于使氢气膨胀。在此，涡轮机将其轴输出传递到发电机上，该涡轮机优选地被直接安装于该发电机的轴上。然后，可使用电输出以驱动第一压缩机，或者可将其直接耦合到燃料电池的输出，并且因而使得能够获得附加的电输出。

此外，有利地提供的是，当在燃料电池上的供应侧上时，提供了有效流动地并入用于将氢气供应到燃料电池的供应中的涡轮机，其中该涡轮机通过轴被有效驱动地连接到第二压缩机。

同样可有利地提供的是，在第一和第二压缩机之间的空气通道上提供冷却装置，以（优选地通过在供应到冷却装置的氢气的膨胀期间生成的膨胀冷（expansion cold））冷却在空气通道中的压缩空气。

同样可提供的是，在第二压缩机之后的空气通道上提供冷却装置，以（优选地通过由供应到冷却装置的氢气的膨胀生成的膨胀冷）冷却在空气通道中由第二压缩机压缩的空气。

在所提及的实施例版本中，有利地提供的是，第一和第二压缩机被设计为涡轮压缩机。

本发明的另一方面涉及如以上描述的用于为燃料电池提供空气的装置的用途，所述燃料电池是燃料电池系统的部分，通过该燃料电池系统提供了用于用户的优选地在>100kW的功率范围内的电驱动功率。

附图说明

本发明的其它有利的进一步发展显示在从属权利要求中，并且通过下文中的附图与本发明的优选实施例的描述一起更详细地呈现出来。

其示出：

图1是根据本发明的第一示例性实施例的示意图；

图2是根据本发明的备选示例性实施例的示意图；以及

图3是根据本发明的另一备选示例性实施例的示意图。

具体实施方式

在后文中，通过参考图1至3的优选的示例性实施例来更详细地描述本发明，其中图中相同的参考标号指向相同的结构和/或功能特征。

在所示出的示例性实施例中，示出了燃料电池10和空气供应的装置1，各自用于利用氢气操作的燃料电池10。装置1包括由涡轮增压器20的第一压缩机21和第二压缩机30形成的两个压缩机级。

压缩机21被有效驱动地连接到可由燃料电池10的排放气流A驱动的涡轮增压器20的涡轮机22。由燃料电池10生成的排放气流流过涡轮机22并且通过轴23驱动压缩机20的压缩机轮。在这里，由第二压缩机30输送到压缩机20的压缩空气被进一步压缩并且通过空气供应通道供应到燃料电池10。

在两个压缩机20、30之间布置有空气通道31，以使得第一压缩机21的空气供应21z通过空气通道31连接到第二压缩机30，以用于供应由第二压缩机30压缩的空气L。

在根据图2的示例性实施例中，提供了电动马达40，其通过驱动轴41驱动第二压缩机。为此，第二压缩机21的压缩机轮直接布置在驱动轴41上。此外，在此示例性实施例中提供的是，在供应侧上在燃料电池上提供涡轮机60，该涡轮机60被有效流动地并入到用于向燃料电池供应氢气的供应61中，其中涡轮机60通过轴62被有效驱动地连接到发电机70。

一旦发电机70通过轴62由涡轮机60驱动，发电机70就通过电连接线71向马达40供应电能。除了由燃料电池10生成的能量之外，由发电机70生成的能量也可备选地部分地或完全地提供在燃料电池10的输出11处。

在根据图3的实施例中，涡轮机60提供在燃料电池的供应侧上，其被有效流动地并入在用于向燃料电池供应氢气的供应61中，其中涡轮机60通过轴62被有效驱动地连接到第二压缩机30。

此外，第一冷却装置50提供在第一和第二压缩机20、30之间的空气通道31上，以（即借助于在氢气的膨胀期间生成的膨胀冷）冷却空气通道31中的压缩空气，所述氢气通过位于其间的冷却线供应给冷却装置50。

此外，可在第二压缩机20之后在空气通道22上提供另一冷却装置51，以（同样借助于在氢气的膨胀期间生成的膨胀冷）冷却空气通道22中由第二压缩机20压缩的空气，所述氢气可通过冷却线供应到冷却装置51。

在其实施例中，本发明不限于上述优选的示例性实施例。相反地，可构思多个版本，所述版本即使具有根本上不同类型的实施例，也使用所示出的解决方案。

Claims (9)

1.一种用于燃料电池（10）的空气供应的装置（1），优选为用于利用氢气操作的燃料电池（10）的通过两个压缩机级的空气供应的装置（1），其被设计成具有：涡轮增压器（20）的第一压缩机（21），其中所述压缩机（21）被有效驱动地连接到可由所述燃料电池的排放气流（A）驱动的所述涡轮增压器（20）的涡轮机（22）；以及第二压缩机（30），其中所述第一压缩机（21）的供应空气供应（21z）通过用于供应由所述第二压缩机（30）压缩的空气（L）的空气通道（31）连接到所述第二压缩机（30）。

2.根据权利要求1所述的装置（1），其特征在于，马达，优选地电动马达（40）通过驱动轴（41）驱动所述第二压缩机，或者所述第二压缩机（21）的压缩机轮直接布置在所述驱动轴（41）上。

3.根据权利要求2所述的装置（1），其特征在于，在所述燃料电池上的供应侧上提供涡轮机（60），所述涡轮机（60）被有效驱动地并入用于向所述燃料电池供应氢气的供应（61）中，其中所述涡轮机（60）通过轴（62）有效驱动地连接到发电机（70），并且一旦所述发电机（7）由所述涡轮机（60）通过所述轴（62）驱动，所述发电机就通过电连接线（71）为所述马达（40）提供电能。

4.根据权利要求3所述的装置（1），其特征在于，除了由所述燃料电池（10）生成的能量之外，由所述发电机（70）生成的能量可在所述燃料电池（10）的输出（11）上部分地或完全地获得。

5.根据权利要求1所述的装置（1），其特征在于，在所述燃料电池的所述供应侧上提供有涡轮机（60），所述涡轮机（60）有效流动地并入在用于向所述燃料电池供应氢气的供应（61）中，其中所述涡轮机（60）通过轴（62）有效驱动地连接到所述第二压缩机（30）。

6.根据前述权利要求中任一项所述的装置（1），其特征在于，在所述第一和第二压缩机（20、30）之间的所述空气通道（31）上提供有冷却装置（50），以便优选地通过在被供应到所述冷却装置（50）的氢气的膨胀期间生成的膨胀冷来冷却所述空气通道（31）中的压缩空气。

7.根据前述权利要求中任一项所述的装置（1），其特征在于，在所述第二压缩机（20）之后在所述空气通道（22）上提供冷却装置（51），以便优选地通过在被供应到所述冷却装置（51）的氢气的膨胀期间生成的膨胀冷来冷却在所述空气通道（22）中由所述第二压缩机（20）压缩的空气。

8.根据前述权利要求中任一项所述的装置（1），其特征在于，所述第一和第二压缩机（20、30）被设计为涡轮压缩机。

9.根据权利要求1至8中任一项所述的装置（1）的用途，其用于为燃料电池（10）提供空气，所述燃料电池（10）是燃料电池系统的部分，通过所述燃料电池系统提供用于用户的优选地在>100kW的功率范围内的电驱动功率。