CN111133621B - 燃料电池系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种燃料电池系统，该燃料电池系统包括外部容器，该外部容器限定封闭腔室。在该封闭腔室内部设有：储存贮器，该储存贮器用于储存低温液化工作流体；气化装置，该气化装置耦接到储存贮器；燃料电池布置，该燃料电池布置耦接到气化装置；以及控制单元，该控制单元被配置为控制在封闭腔室内的部件之间的流。提供电力电缆，该电力电缆在一个端部处耦接到燃料电池布置并延伸穿过外部腔室的外壁，使得电缆的第二端部延伸到腔室外部。封闭腔室是基本上密封的，使得在使用中，基本上阻止工作流体的泄漏。

Description

燃料电池系统

技术领域

本发明涉及使用低温工作流体的燃料电池系统，具体地是液态氢燃料电池系统，并且更具体地是便携式或可更换的液态氢燃料电池系统。

背景技术

必须处理低温工作流体，诸如液化气体(例如氢或氦)，以允许进行商业上可行的运输。例如，在氢消耗高的应用中，液态氢通常用作优选的储存介质。

迄今为止，将公路车辆中使用的储罐安装在车辆中。关于已知储罐，必须使用局部能源来从储罐中释放液化气体。必须在释放过程期间压缩气体，并且释放过程进行多次。这意味着该过程使用了大量能量。

以下方面引起已知过程中的大多数问题：

-高能量需求；

-在补加过程期间释放气体，这可能会在任何补加位置(特别是受到安全法规约束的环境)处带来风险。

用于提供电力的任何未来解决方案都必须要考虑环境因素和全球目标以减少温室气体排放并限制全球变暖。例如在内燃机中使用碳基燃料会将危险的氮氧化物释放到大气中。替代形式是从氢燃料电池产生的电力。然而，由于氢的密度低，其难以储存，因为气体压缩要求高压力或高容积。

在大规模应用中，诸如对于用气态燃料对船只或火车加燃料，必需极为注意安全性。在考虑所有操作参数的情况下进行深入的安全性研究。通常必须针对每个港口或加油站进行此类研究。这是非常复杂的，因为必须采取措施以阻止形成易燃气体混合物并且还在加燃料期间消除任何可能点火源。希望提供为最终用户提供电源的简单、安全的系统。

本发明的实施方案试图提供克服这些缺点中的一些或全部的系统。

发明内容

在下面的描述中，气化装置被定义为将液化气体转换成至少蒸发气流的装置，诸如蒸发器或气体加热器。

根据本发明的第一方面，提供了燃料电池系统，该燃料电池系统包括：

外部容器，该外部容器限定封闭腔室，

其中在封闭腔室内部设有：

储存贮器，该储存贮器用于储存液化低温工作流体，

气化装置，该气化装置耦接到储存贮器，

燃料电池布置，该燃料电池布置耦接到蒸发器，以及

控制单元，该控制单元被配置为控制在封闭腔室内的部件之间的流；

电力电缆，该电力电缆在一个端部处耦接到燃料电池布置并延伸穿过外部腔室的外壁，使得电缆的第二端部延伸到腔室外部；

其中封闭腔室是基本上密封的，使得在使用中，基本上阻止工作流体的泄漏。

燃料电池布置可以包括至少一个燃料电池。外部容器可以是气密的，使得封闭腔室被基本上密封以隔开外部环境。

环境空气入口可以耦接到燃料电池布置。空气出口可以从外部容器的外壁延伸到燃料电池布置。出水口可以耦接到燃料电池布置。出水口可以从外部容器的外壁延伸到燃料电池布置。

燃料电池系统可以包括阀，该阀被提供来控制在腔室内的部件之间的流。

储存贮器中的低温工作流体可以是液态氢。

燃料电池布置可以包括一个或多个氢燃料电池。该系统可以包括环境空气入口，该环境空气入口耦接到燃料电池布置。该系统可以包括出水口，该出水口耦接到燃料电池布置。

燃料电池系统可以包括电池组，该电池组设在封闭腔室中。电池组可以电耦接到电力电缆和燃料电池布置(至少一个燃料电池)。

燃料电池系统可以包括用于将在燃料电池布置中产生的热量输送到气化装置的装置。

气化装置可以是蒸发器，优选地是水浴蒸发器。气化装置可以是气体加热器，优选地是电气体加热器。

燃料电池系统还可以包括在腔室内的合适位置中的流量计和/或成分检测传感器。仪表和/或传感器被配置为监测在腔室内的内部部件中的至少一个的操作参数。来自这些仪表和/或传感器的输出可以被馈送到控制单元以提供用于控制内部系统部件的附加数据。

根据本发明的另一方面，提供了用于产生电能的方法，该方法包括：

在基本上封闭的腔室内：

-提供一定储存量的低温液化工作流体；

-气化工作流体；

-向燃料电池布置供应气化工作流体，

-在燃料电池布置中产生电能，

其中响应于对电力的外部需求，将所产生的电能从燃料电池布置输送到封闭腔室外部。

低温工作流体可以是液态氢。

燃料电池布置可以包括至少一个燃料电池。

燃料电池布置可以包括至少一个氢燃料电池。该方法还可以包括向至少一个氢燃料电池提供环境空气供应。该方法还可以包括从至少一个氢燃料电池中提取水流并将其输送到腔室外部。

该方法还可以包括控制液化工作流体的流和气化工作流体的流，以便控制电能输出。

可以在气化装置中气化工作流体。该方法还可以包括从燃料电池布置输送氢的子流以向气化装置提供热量。该方法还可以包括从燃料电池布置输送氢的子流以向蒸发器或气体加热器提供热量以为气化步骤提供热量。

该方法还可以包括将在燃料电池布置中产生的热量输送到气化装置。该方法还可以包括将在燃料电池布置中产生的热量输送到蒸发器/气体加热器。

该方法还可以包括从燃料电池布置输送氢的子流以向气化装置提供热量。

该方法还可以包括从由燃料电池产生的电能对设在封闭腔室内的电池充电。

该方法还可以包括监测在腔室内的内部部件中的至少一个的操作参数。来自这些仪表和/或传感器的输出可以被馈送到控制单元以提供用于控制内部系统部件的附加数据。

虽然上文已经描述了本发明，但是其扩展到在上面或在下面的描述或附图中阐述的特征的任何创造性组合。

附图说明

现在将仅以举例的方式并参考附图来详细地描述本发明的具体的实施方案，其中：

图1是根据本发明的实施方案的燃料电池系统的示意图；

图2是根据本发明的第二实施方案的燃料电池系统的示意图；并且

图3是根据本发明的第三实施方案的燃料电池系统的示意图。

具体实施方式

图1示出了根据本发明的实施方案的低温工作流体燃料电池系统1。

系统1包括气密外部容器2。容器2限定封闭腔室2a，在该封闭腔室中设有以下内部系统部件：储存贮器3、燃料电池布置4、控制单元5和气化装置(其可以是蒸发器或气体加热器)6。燃料电池布置4包括一个或多个燃料电池。阀11、12、13、14设在内部系统部件之间的流线中，以便控制在部件之间的流。

该系统设有贮器填充连接件，操作员使用该贮器填充连接件来对贮器进行填充/补加。贮器填充连接件包括：填充阀14、填充耦接件15和气密外部锁21。气密外部锁21被配置为使得其只能通过在经认证的EX-Zone安全加油站中进行操作来打开。

电量计25测量功耗。传感器24监测在腔室2a内的环境，并且将信号发送到控制单元5。传感器监测操作参数，诸如但不限于：腔室2a内的气体成分和压力。

储存贮器3适合于储存液化低温工作流体。这意味着贮器必须由合适的材料制成，诸如低温度钢或低温级钢，以确保相对于低操作温度的弹性。低温工作流体可以是任何合适的液化气体，诸如液氦、液氢、液氮、液化空气或液化天然气(LNG)。在特别有利的实施方案中，使用液化氢。为了作为液体存在，必须将氢冷却，并且然后将其储存于氢33K的临界点以下。

另外地，流量计和/或成分检测传感器可以设在腔室2a内的合适位置中(图中未示出)。来自这些仪表和/或传感器的输出被馈送到控制单元5以提供用于控制内部系统部件的附加数据。

外部容器2是刚性框架容器并提供了其中容纳其他部件的封闭腔室2a。外部容器可以是例如ISO容器。封闭腔室2a是基本上密封的腔室，使得在腔室2a内部产生的任何蒸气或气体都不会泄漏到外部环境中。

气化装置可以是蒸发器6，并且优选类型是水浴蒸发器。另选地，可以提供气体加热器，诸如电气体加热器，以气化工作流体。

提供适合于低温工作流体的至少一个燃料电池4。例如，当工作流体是氢时，提供氢燃料电池。此外，根据预期应用的功率需求来选择大小和配置。

燃料电池连接到电力电缆7，该电力电缆延伸到容器2外。在电力电缆7穿过容器2的壁的点处设有气密过渡件23。然后，可以输送电力以供使用或储存。

现在将描述燃料电池系统1的操作。

液化低温工作流体(液化气体)储存在储存贮器3中。当存在对能量供应的需求时，控制单元5操作阀以允许将限定量的液化气体传送到气化装置中并然后传送到燃料电池4中。由燃料电池布置4产生的电力通过电缆7供应，并且可以用于为任何期望外部用途提供能量。

信号由控制单元5从内部系统部件中的一些或全部接收。这允许控制单元控制阀11、12、13中的每个的操作，从而控制通过内部系统部件的流体流。

在紧急情况下，例如，如果氢泄漏到封闭腔室中，或者如果腔室中的压力增加被传感器24检测到，则控制单元5将信号发送到外部警报器22。警报器22可以是听觉和/或视觉警报器。为了在气化装置6中气化低温液体(例如液化氢)，必须向气化装置6供应热量。在优选实施方案中，在燃料电池布置4中产生的热量被供应回到气化装置6中。这在图中未示出。

另选地，可以使用外部热源，例如来自局部大气的环境热量。

图2示出了根据本发明的另一个实施方案的低温工作流体燃料电池系统101。在图2中，与上面实施方案类似的特征被给予了对应附图标记。为了简单起见，省略了图1的一些部件。

系统101包括外部容器102，该外部容器限定封闭腔室102a，该封闭腔室容纳：储存贮器103、燃料电池104、控制单元105、蒸发器116和阀111、112、113。

第二实施方案是所谓的混合设计，因为它还包括电池组108。电池组108经由线路109电耦接到燃料电池104，并且经由线路107a电耦接到电力电缆107。

第二实施方案以上面参考第一实施方案描述的方式来操作。然而，另外，如果需求突增或在峰值负载下，则电池组108可以用于提供附加能量输出。当在燃料电池104上没有外部电源负载时，燃料电池104可以经由线路109对电池充电/再充电。

就像以上实施方案一样，在燃料电池104中产生的热量被提供回到气化装置中(该流在图2中未示出)。

图3示出了本发明的第三实施方案，其中氢被用作工作流体，即氢燃料电池系统207。

在图3中，与上面实施方案类似的特征被给予了对应附图标记。

在该实施方案中，由于工作流体是氢，因此燃料电池布置204包括一个或多个氢燃料电池。这要求必须将空气输入到电池中，并且必须提取水。为了实现这一情况，在燃料电池布置204与气密容器202的外壁之间耦接环境空气入口219和出水口220。在环境空气入口219和出水口220以及在容器202内的封闭腔室202a之间存在连接。

系统201还包括：压力调节器217，以及气体处理箱218。气体处理箱218被配置为将H2转换为无害气体，该气体处理箱可以是例如小型燃料电池，其产生电力，该电力将被电加热或发光元件或被催化燃烧破坏。

氢燃料电池系统201以与以上针对较早实施方案所描述的操作类似的方式操作。液化氢储存在储存贮器203中。当存在对能量供应的需求时，控制单元205操作阀以允许将限定量的液化气体传送到气化装置216中并然后传送到一个或多个氢燃料电池204中。由一个或多个燃料电池4产生的电力通过电缆207供应。

在一个或多个氢燃料电池的操作期间，通过环境空气入口219供应空气。可以从外部环境或任何合适的储存源供应空气。废水通过出水口220被提取以丢弃或根据需要使用。通过入口219和出口220的流由控制单元5控制。

应当理解，也可以通过以与图2中所示的相同的方式结合电池来提供氢燃料电池系统的混合版本。

在图中未示出的另外的实施方案中，由一个或多个燃料电池产生的热量被传回到气化装置，以便提供将液化工作流体转换成气体所需的热量。应当理解，在所有上述实施方案中，来自燃料电池的热量可以被输送到气化装置。

通过本发明的燃料电池系统，用户可以简单地将电力电缆7、107、207附加到要求能量的任何系统(图中未示出)。本发明的简单的即插即用解决方案意味着用户可以容易地将一个燃料电池系统替换为另一个。结果是快速且简单的更换，这意味着可以确保一致电源。根据用户要求，可以提供特定的填充水平。由于可以在工作流体冷凝器处对容器直接地补加，特别是对于在氢冷凝器处结合氢作为工作流体的系统，可以避免补加损失。由于用户被供应了整个单元，因此他们不必自己处理任何潜在的危险气体。此外，由于通过本发明的可移除系统，在必要时，当将系统从使用位置移除时，可以维护燃料电池，因此在使用燃料电池的位置处(例如，在车辆中)不再进行燃料电池维护。

不要求附加储罐系统，因为可以将已知燃料电池技术结合到本发明的系统中。

控制单元5、105、205从设在系统部件(图中未示出)内的传感器和仪表接收输入，并且监测燃料系统的操作参数。控制单元5设有通信设备，该通信设备被配置为远程地链接到工作流体填充站中的接收器模块。控制单元将操作状态数据(GPS位置、功耗)发送到加油站，这使加油站能够计算燃料电池系统1的估计的更换需求。

本发明的燃料电池系统，特别是根据本发明的氢燃料电池系统，可以用于多种应用，例如但不限于公路车辆，诸如卡车或汽车、火车、船只、施工车辆。对于此类应用，可以在合适的终端(诸如港口、运输枢纽和车务段)处设有氢燃料电池系统更换和补加站。

燃料电池系统还可以用作独立或离网电力供应装置，例如对于节日、露营、建筑工地或体育赛事在遥远位置处。

应当理解，系统的尺寸可以根据应用而变化。例如，可以为高功率需求应用提供更大系统，并且在补加机会之间的运行时间较长。

上面已经参考一个或多个优选实施方案描述了本发明的全部内容。应当理解，在不脱离所附权利要求书所限定的本发明的范围的情况下，可以做出各种改变或修改。

Claims (8)

1.一种燃料电池系统，包括

外部容器，其中在所述外部容器内部设有：

-储存贮器，所述储存贮器用于储存低温液化工作流体，其中所述储存贮器中的所述低温液化工作流体是液态氢，

-燃料电池布置，所述燃料电池布置包括一个或多个氢燃料电池，

-电力电缆，所述电力电缆在一个端部处耦接到所述燃料电池布置并延伸穿过外部容器的外壁，使得所述电缆的第二端部延伸到所述外部容器的外部，

其中，

-所述外部容器限定封闭腔室，所述封闭腔室是密封的，使得在使用中，阻止所述工作流体的泄漏，

-设置在所述封闭腔室内的气化装置耦接到所述储存贮器和耦接到所述燃料电池布置，

-环境空气入口耦接到所述燃料电池布置，

-所述燃料电池系统是可替换的即插即用单元，用于公路车辆、火车、船只或施工车辆，

-设置在所述封闭腔室内的控制单元被配置为控制在所述封闭腔室内的部件之间的流，其中阀被提供来控制在所述封闭腔室内的所述部件之间的流。

2.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其中所述燃料电池布置包括出水口，所述出水口耦接到所述燃料电池布置。

3.根据前述权利要求中任一项所述的燃料电池系统，还包括电池组，所述电池组设在所述封闭腔室中，其中所述电池组电耦接到所述电力电缆和所述燃料电池布置。

4.根据权利要求1或2所述的燃料电池系统，还包括用于将在至少一个燃料电池中产生的热量输送到所述气化装置的装置。

5.一种用于产生电能的方法，包括：

在外部容器内

-提供一定储存量的低温液化工作流体，其中所述低温液化工作流体是液态氢；

-气化所述工作流体；

-向包括至少一个氢燃料电池的燃料电池布置供应气化工作流体；

-在所述至少一个燃料电池中产生电能，

-响应于对电力的外部需求，将所述产生的电能通过电缆从所述燃料电池布置输送到所述外部容器的外部，

其中

-所述外部容器限定封闭腔室，所述封闭腔室是密封的，使得在使用中，阻止所述工作流体的泄漏，

-向所述至少一个氢燃料电池提供环境空气供应，

-在气化装置中气化所述工作流体，所述气化装置设置在所述封闭腔室的内部并且耦接到所述燃料电池布置和耦接到储存贮器，

-所述封闭腔室是用于连接到电缆的公路车辆、火车、船只或施工车辆的可替换的即插即用单元，

-通过控制单元控制在部件之间的流，所述控制单元设置在所述封闭腔室内并且被配置为控制在所述封闭腔室内的部件之间的流，其中阀被提供来控制在所述封闭腔室内的所述部件之间的流。

6.根据权利要求5所述的方法，所述方法还包括：从所述至少一个氢燃料电池中提取水流并将所述水流输送到所述封闭腔室外部的步骤。

7.根据权利要求5至6中任一项所述的方法，其中所述方法还包括将在所述燃料电池布置中产生的热量输送到所述气化装置。

8.根据权利要求5至6中任一项所述的方法，其中所述方法还包括从由所述燃料电池布置产生的电能对设在所述封闭腔室内的电池充电。