CN113451614A - 用于为燃料电池供应氢的设备和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于为燃料电池供应氢的设备，其包括燃料电池、液化氢储存设施和供应回路，供应回路包括连接至液化氢储存设施的至少一个上游端和连接至燃料电池的燃料入口的一个下游端，供应回路包括用于通过与热源进行热交换来加热氢的至少一个加热系统和一组控制阀，液化氢储存设施配置为使液化氢与处于1.5巴至4.5巴的确定的额定储存压力下的气相保持平衡，供应回路包括用于加压气态氢的缓冲罐，其配置为储存从液化氢储存设施提取并通过加热系统加热的氢，控制阀配置为以为4巴至100巴，例如6巴至8巴的确定的储存压力将加压气体积聚在缓冲罐中。本发明还涉及一种使用上述设备向燃料电池供应氢的方法。

Description

用于为燃料电池供应氢的设备和方法
技术领域
本发明涉及一种用于为燃料电池供应氢的设备和方法。
更具体地，本发明涉及一种用于为燃料电池供应氢的设备，该设备包括燃料电池、液化氢储存设施、和供应回路，该供应回路包括连接至储存设施的至少一个上游端和连接到燃料电池的燃料入口的一个下游端，该供应回路包括至少一个用于通过与热源进行热交换来加热氢的系统和一组控制阀，该液化氢储存设施配置为使液化氢与气相保持平衡，该气相处于1.5巴至4.5巴的确定的额定储存压力下。
背景技术
燃料电池在阳极的氢气压力处于几百毫巴的情况下运行。但燃料电池制造商在大多数情况下会指定5巴到10巴的压力为其供应极限。这使得可以在阳极入口之前的最后膨胀阶段的下游提供该压力水平。电池入口上游的这种压力使得可以具有气体储器(或加压气体储器)，用于在氢的供应意外停止的情况下管理电池的关闭。这是因为，如果在仍存在电力需求时突然停止氢的供应，则在没有这种加压氢的储备的情况下，将会消耗阳极上存在的氢，这将导致在该界面处的负相对压力。这可能(由于相对于阴极的压力反转和可能地将阳极置于真空中)损坏电池的电极膜组件。
在使用加压气体储存设施(350巴/700巴)供给氢的情况下，储罐的运行下限通常固定在10巴至20巴(例如，以便避免损坏带有聚合物衬里的4型储罐的复合结构，或者以便避免在储罐中达到太过于接近大气压力的压力(这将有利于湿度或空气的进入))。该低压水平与上述5巴至10巴的储备规格兼容。
在其他配置中，氢由液化氢低温储存设施提供。
出于多种原因，液化氢储存设施通常保持在较低的压力下。当没有产品流被提取时，这样的储罐自然地通过热输入(绝热、管道、支承件)自加压。因此，有兴趣以尽可能最低的压力来存储流体，以保持阀的工作压力和设定压力之间的最大压力差；具体地说，这可以增加储存设施的耐久性(增加超压阀打开前的持续时间)。
另外，液化氢随着其液/气饱和压力的增加而膨胀。阀的开口处应保持5％(摩尔)左右的气体顶部空间/预留空间。因此，在储存设施中的阀开口的压力越高，则在其(相对低的)填充压力下可被填充的就越少。
最后，氢的汽化潜热随液体/蒸气饱和压力而降低。由于自加压阶段中压力的升高速度与该潜热成反比，因此，当该压力较高时，低温储存设施的压力会更快地升高(自加压上升的凸曲线)。
在其中燃料电池在高压(例如6巴)下运行并且为电池供料的氢储罐是低压(例如2.5巴的绝对压力)液体储存设施的情况下，储存设施必须在电池启动之前自加压。这种自加压可包括从储存设施中除去液体，并使液体蒸发并将其重新注入到储存设施的气相中。这导致因气体顶部空间的温度分层而偏离储存设施的热力学平衡。
如果将储罐安装在火车或船上，则在第一次冲击(或振动/摇摆)时，气体顶部空间会发生凝结，并且储罐将恢复到其平衡压力，该平衡压力可能在燃料电池的最小工作压力以下。在这种构造中，为了确保电池的最佳运行，理论上必须在主储罐和燃料电池之间布置两个保持饱和的液体缓冲罐。一个储罐被充满并加压，而另一个储罐则供给燃料电池。该储罐的容积足以使被加压的储罐在其连接到电池时处于其平衡压力。这种装置使得可以在足够的压力下向电池供给氢。这具有需要两个额外的低温储罐和更高的氢消耗的缺点，因为空的中间储罐必须被填充并且是热的且处于高压下，并且必须被冷却和减压以重新填充液化氢。
因此，液体储存设施针对燃料电池的5巴的氢的使用规格会对储存设施的填充液位及其耐久性造成不利。
由于所有这些原因，人们反而有兴趣将储存设施出口处的氢的工作压力限制为2.5巴至3.5巴的绝对压力，该压力远低于燃料电池制造商指定的5巴。
发明内容
本发明的一个目的是克服上述现有技术的全部或一些缺点。
为此，根据本发明的、此外根据在上面的前序部分中为其所给出的一般定义的设备的特征在于，供应回路包括用于加压气态氢的缓冲罐，该缓冲罐配置为储存从储存设施提取并通过加热系统加热的氢，所述一组阀配置为以确定的储存压力将加压气体储存在缓冲罐中，该确定的储存压力为4巴至100巴，例如6巴至8巴。
因此，本发明使得能够在相对低的压力下运行液化氢储存设施，同时保持将氢储存在较高压力下，将氢储存在较高的压力下是必要的，以便能够在从液体储存设施的供给被意外切断的情况下确保燃料电池的安全关闭。
这种加压气态氢的储备可以在这样的阶段自动地再生/再次形成：在液体储存设施的各个寿命阶段、特别是在自加压阶段，也就是说，在电池关闭并且由于热量输入的原因而自然增大储存设施的压力时。
此外，本发明的实施例可包括以下一个或多个特征：
-所述供应回路包括将所述储存设施的下部连接至所述燃料电池的所述燃料入口的液体提取管线，所述液体提取管线包括串联布置的第一加热热交换器和第一压力和/或流量调节器，所述第一压力和/或流量调节阀配置为以为1巴至3巴的确定的工作压力向该燃料电池的燃料入口给料；
-该回路包括气体提取管线，该气体提取管线将储存设施的上部连接到缓冲罐的入口；
-所述气体提取管线包括串联布置的用于加热气态氢的热交换器和压力和/或流量调节阀，所述压力和/或流量调节阀配置为向所述缓冲罐转移处于储存压力的气体；
-所述压力和/或流量调节阀配置为仅在储存设施中的压力超过确定的压力阈值时才自动地从所述储存设施向所述缓冲罐转移气体；
-该回路包括气体填充管线，该气体填充管线具有连接至第一加热热交换器的出口的上游端和连接至缓冲罐的入口的下游端，该气体填充管线包括压力和/或流量调节阀，所述压力和/或流量调节器配置为向所述缓冲罐转移处于储存压力的气体；
-该回路包括排液管线，该排液管线具有连接至所述储存设施的下部的上游端和连接至所述缓冲罐的入口的下游端；
-该回路包括布置在缓冲储存设施的入口和出口处的一组隔离阀，所述氢加热系统包括缓冲储存设施中包含的流体与热源如大气之间的热交换，用于在隔离阀关闭时，使缓冲罐中的流体汽化并增大流体的压力，该回路还包括用于限制所述缓冲储存设施中的压力的元件如排放阀，该排放阀在确定的压力阈值以上的压力下打开；
-所述供应回路包括将缓冲罐的出口连接至燃料电池的燃料入口的备用给料管线，所述备用给料管线包括配置为以确定的压力向电池提供气体的至少一个压力和/或流量调节阀；
-所述备用给料管线包括与所述至少一个压力和/或流量调节阀串联布置的以下装置：阀板、加热热交换器、和压敏安全阀，该压敏安全阀用于在压力高于安全阈值/在安全阈值以上的情况下向回路的外部排放气体；
-所述备用给料管线通过与液体提取管线的一部分的连接而连接至燃料电池的燃料入口；
本发明还涉及一种使用根据以上或以下任一特征的设备向燃料电池供应氢的方法，其中通过储存设施向燃料电池供应氢，该方法包括从储存设施向缓冲罐转移氢的步骤。
根据其他可能的区别特征：
-从储存设施向缓冲罐转移氢的步骤是在通过储存设施向电池的氢的供给被中断期间、特别是在燃料电池关闭期间进行的；
-该方法在燃料电池运行期间包括以下步骤：检测通过储存设施向燃料电池的氢的供给的故障的步骤；和作为响应的备用供给步骤，在该备用供给步骤中，通过缓冲罐向燃料电池供给氢。
本发明还可涉及落入权利要求的范围内的、包括以上或以下特征的任何组合的、任何的替代装置或方法。
附图说明
通过阅读以下参考附图的描述，其他区别技术特征和优点将变得显而易见，在附图中：
图1是示出根据本发明的设备的第一实施例的结构和操作的示意性局部视图；
图2是表示设备的低温储存设施内的可能压力变化的示例的局部示意图；
图3是示出根据本发明的设备的第二实施例的结构和操作的局部示意图；
图4是示出根据本发明的设备的第三实施例的结构和操作的局部示意图；
图5是示出根据本发明的设备的第四实施例的结构和操作的局部示意图；
图6是示出根据本发明的设备的第五实施例的结构和操作的局部示意图；
图7是示出根据本发明的设备的第六实施例的结构和操作的局部示意图。
具体实施方式
用于向燃料电池供应氢的设备1包括燃料电池2、液化氢储存设施3和供应回路4、14，该供应回路包括连接到储存设施3的至少一个上游端和连接到燃料电池2的燃料入口的一个下游端。
供应回路4、14包括至少一个用于通过与热源进行热交换来加热氢的系统5、15以及一组控制阀6、16、26。
液化氢储存设施3构造成使液化氢与气相保持平衡，该气相处于例如1.5巴至4.5巴的相对低的确定的额定储存压力下。
供应回路4、14包括用于对气态氢进行加压的缓冲罐7，缓冲罐构造成储存从储存设施3提取并由加热系统5、15加热的氢。该组阀配置成将加压气体以4巴至100巴例如6巴至8巴的相对高的确定的储存压力聚集在缓冲罐7中。
供应回路包括将储存设施3的下部连接到燃料电池2的燃料入口的液体提取管线4。
液体提取管线4包括串联布置的第一加热热交换器5(或蒸发器)和第一压力和/或流量调节阀6。该第一压力和/或流量调节阀6配置成以例如为1巴至3巴(绝对压力(abs))的确定的运行压力供给燃料电池2的燃料入口。当燃料电池2处于运行状态时，从液化氢储存设施3供给氢构成所谓的正常运行。
在图1的实施例中，所述回路包括将储存设施3的上部连接至缓冲罐7的入口的气体提取管线8。气体提取管线8包括串联布置的用于加热气态氢的第二热交换器15和第二压力和/或流量调节阀26。第二热交换器15例如是常压加热器，其使提取的气态氢达到22K至100K的温度。
第二压力和/或流量调节阀26就其本身而言配置成将处于例如5巴至8巴的储存压力下的气体输送到缓冲罐7中。
第二压力和/或流量调节阀26(和/或适当的阀操纵系统(未示出)，例如至少一个止回阀)可配置成：优选地仅当储存设施3中的压力超过确定的压力阈值时才将加压气体自动地从储存设施3转移至缓冲罐7。
这是因为，特别是在相对较长时间不由储存设施3供给燃料电池2的阶段中，储存设施3具有自加压的趋势。其内部压力尤其可以达到阈值，该阈值大于5巴。一旦氢从气体顶部空间中被提取，该压力就会降低。
图2示出了储存设施3中的压力P(以巴为单位)随时间t变化的示例。如图所示，压力可以描绘例如在自加压的情况下的上升梯度和下降的梯度(例如在提取的情况下)。第二调节阀26可例如被配置(调节、定尺寸、校准或控制)，以便其在上游压力大于打开阈值(例如6巴)时打开，并且在上游压力小于打开阈值(或另一压力阈值)时再次关闭。
这使得可以优选地仅当储存设施3中的压力超过确定的压力阈值时，才将气体从储存设施3转移到缓冲罐7，该转移优选地是自动的。
在图3的实施例中，该回路包括气体填充管线9，该气体填充管线的上游端连接到第一加热热交换器5的出口并且其下游端连接到缓冲罐7的入口。该气体填充管线9包括第二压力和/或流量调节阀26，所述第二压力和/或流量调节阀26配置成在处于储存压力的气体已通过第一加热热交换器5之后将所述气体输送到缓冲罐7中。
换句话说，缓冲罐7的填充可通过膨胀装置26来控制，该膨胀装置26在第一加热热交换器5的下游位于液体提取管线4的分流管线上。
膨胀装置26(或等效的阀或阀板，参见下文)可特别地在向燃料电池2的氢的供给被切断时被激活。在这种情况下，可由缓冲罐7经由下游的第三压力和/或流量调节阀16(其出口可连接至液体提取管线4的、连接至燃料电池2的燃料入口的下游部分)来向燃料电池2供给气态氢。
图4的实施例与图3的实施例的不同之处在于由简单的阀或阀板代替膨胀装置26。应注意，正如在图1的实施例中那样，缓冲罐7的入口可连接至储存设施3的上部，以便回收蒸发气体(而不是通过热交换器5中的液体蒸发而获得的气体)。
图5的实施例与图3的实施例的区别在于缓冲罐7的入口和出口已经组合。缓冲罐7的填充或气体从缓冲罐7的提取由第二调节阀或阀板控制，该第二调节阀或阀板例如在该第一加热热交换器5的下游并且在第一压力和/或流量调节阀6的上游连接到液体提取管线4。
缓冲罐7的填充可特别地由第二阀26控制，只要储存设施3中的压力大于高阈值，该第二阀便可自动打开。第二阀26也可在燃料电池2的氢的正常供给被切断(例如由于储存设施中液体的缺乏)时自动打开。
在图6的实施例中，该回路包括排液管线10，排液管线10的上游端连接到储存设施3的下部，且其下游端连接到缓冲罐7的入口。如图所示，该排液管线10可以是液体提取管线4的上游部分的分流部。
在该实施例中，该回路包括设置在缓冲储存设施7的入口和出口处的一组隔离阀11、12。在隔离阀11、12关闭并且将流体捕获在缓冲罐7中时，可能的氢的加热包括缓冲储存设施7中包含的流体与热源如大气之间的热交换，用于使缓冲罐7中的流体蒸发并且增大流体压力。此外，该回路优选地还包括用于限制所述缓冲储存设施7中的压力的元件13如排放阀，该元件13连接到缓冲罐7并且在确定的压力阈值以上时打开。
在这种构造中，缓冲罐7因此可通过上游隔离阀11(和可能地下游隔离阀12)的打开而在第一加热热交换器5的上游填充低温液体。当缓冲罐7被填充并且优选是冷的(例如温度在25K至150K的范围内)时，隔离阀11、12可以是关闭的。被捕获的液体将由于热量的输入(可能地还通过主动加热)而蒸发；缓冲罐7中的压力增加。任何可能的超压均可通过排放阀13排放(在于恒定压力下填充缓冲罐7期间，排放阀13可保持关闭)。缓冲罐7中的压力例如达到6巴至100巴的值，并且因此，缓冲罐在(例如通过打开下游隔离阀12进行的)正常进料失效的情况下构成用于进给至燃料电池2的加压氢的储器/储备。
图7的实施例与图6的实施例的区别在于缓冲罐7的入口经由气体提取管线8连接至储存设施3的上部。
因此，可通过打开上游隔离阀11和可能地打开第二隔离阀12来在第一加热热交换器5的上游执行缓冲罐7的填充。缓冲罐7中被充满来自储存设施3的冷的气体。该过程的其余部分可与以上关于图6描述的过程相同。
因此，在正常配置中，储存设施3可维持在相对低的压力下(例如，小于5巴)，并且通过蒸发和压力调节以在1巴至5巴的压力下进给燃料电池2。储存设施3中可能的暂时性超压可用于以较高的压力(例如5巴或更高)填充缓冲罐7。如果正常供气不可得，则该加压气体储器7可用于向燃料电池2供应氢。在图6和图7的构造中，可通过在阀11和12关闭的同时简单加热被截获在罐7中的冷的气体/液体而将缓冲罐7中的压力达到高于200巴。
这使得可以例如在储存设施3的加压系统重新建立氢的额定运行压力所花费的时间内继续供给燃料电池2。
因此，该设备可利用储存设施3的自加压(未激活的电池)使用阶段，在此阶段中，储存设施3中的压力可以上升到大于5巴的压力以填充缓冲罐7。
如非限制性示例所示，可在加热热交换器5、15的上游和/或下游位置、在气体顶部空间(储存设施的上部)处直接去除用于填充缓冲罐7的氢。

Claims (13)

1.一种用于为燃料电池供应氢的设备，该设备(1)包括燃料电池(2)、液化氢储存设施(3)和供应回路(4、14)，所述供应回路包括连接至所述液化氢储存设施(3)的至少一个上游端和连接至所述燃料电池(2)的燃料入口的一个下游端，所述供应回路(4、14)包括用于通过与热源进行热交换来加热氢的至少一个加热系统(5、15、17)和一组控制阀(6、16、26)，该液化氢储存设施(3)配置为使液化氢与气相保持平衡，该气相处于1.5巴至4.5巴的确定的额定储存压力下，其特征在于，所述供应回路(4、14)包括用于加压气态氢的缓冲罐(7)，该缓冲罐配置为储存从所述液化氢储存设施(3)提取并通过所述加热系统(5、15、17)加热的氢，所述一组控制阀配置为以确定的储存压力将加压气体积聚在所述缓冲罐(7)中，该确定的储存压力为4巴至100巴，例如6巴至8巴，其中，所述供应回路包括将所述液化氢储存设施(3)的下部连接至所述燃料电池(2)的燃料入口的液体提取管线(4)，所述液体提取管线(4)包括串联布置的第一加热热交换器(5)和第一压力和/或流量调节阀(6)，所述第一压力和/或流量调节阀(6)配置为以1巴至3巴的确定的工作压力向所述燃料电池(2)的燃料入口给料。
2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述供应回路包括气体提取管线(8)，该气体提取管线将所述液化氢储存设施(3)的上部连接至所述缓冲罐(7)的入口。
3.根据权利要求2所述的设备，其特征在于，所述气体提取管线(8)包括串联布置的以下装置：用于加热气态氢的热交换器(5、15)；和第二压力和/或流量调节阀(26)，所述第二压力和/或流量调节阀(26)配置为向所述缓冲罐(7)转移处于储存压力的气体。
4.根据权利要求3所述的设备，其特征在于，所述第二压力和/或流量调节阀(26)配置为仅在所述液化氢储存设施(3)中的压力超过确定的压力阈值时才自动地从所述液化氢储存设施(3)向所述缓冲罐(7)转移气体。
5.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述供应回路包括气体填充管线(9)，所述气体填充管线具有连接至所述第一加热热交换器(5)的出口的上游端和连接至所述缓冲罐(7)的入口的下游端，所述气体填充管线(9)包括第二压力和/或流量调节阀(26)，所述第二压力和/或流量调节阀(26)配置为向所述缓冲罐(7)转移处于储存压力的气体。
6.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述供应回路包括排液管线(10)，所述排液管线具有连接至所述液化氢储存设施(3)的下部的上游端和连接至所述缓冲罐(7)的入口的下游端。
7.根据权利要求2或6所述的设备，其特征在于，所述供应回路包括布置在所述缓冲罐(7)的入口和出口处的一组隔离阀(11、12)，所述加热系统包括所述缓冲罐(7)中容纳的流体与热源如大气之间的热交换，用于在所述隔离阀(11、12)关闭时，使所述缓冲罐(7)中的流体汽化并增大流体的压力，所述供应回路还包括用于限制所述缓冲罐(7)中的压力的元件(13)如排放阀，该元件在确定的压力阈值以上的压力下打开。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的设备，其特征在于，所述供应回路包括将所述缓冲罐(7)的出口连接至所述燃料电池(2)的燃料入口的备用给料管线(14)，所述备用给料管线(14)包括配置为以确定的压力向所述燃料电池(2)提供气体的至少一个压力和/或流量调节阀(6、16)。
9.根据权利要求7和8的组合所述的设备，其特征在于，所述备用给料管线(14)包括与所述至少一个压力和/或流量调节阀(6)串联布置的以下装置：阀板、加热热交换器(5)、和压敏安全阀(15)，该压敏安全阀用于在压力在安全阈值以上的情况下向所述供应回路的外部排放气体。
10.根据权利要求8或9所述的设备，其特征在于，所述备用给料管线(14)通过与所述液体提取管线(4)的一部分的连接而连接至所述燃料电池(2)的燃料入口。
11.一种使用根据权利要求1至10中任一项所述的设备向燃料电池供应氢的方法，其中，通过所述液化氢储存设施(3)向所述燃料电池(2)供应氢，该方法包括从所述液化氢储存设施(3)向所述缓冲罐(7)转移氢的步骤。
12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，从所述液化氢储存设施(3)向所述缓冲罐(7)转移氢的步骤是在通过所述液化氢储存设施(3)向所述燃料电池(2)的氢的供给被中断期间、特别是在所述燃料电池(2)关闭期间进行的。
13.根据权利要求11或12所述的方法，其特征在于，所述方法在所述燃料电池(2)运行期间包括以下步骤：检测通过所述液化氢储存设施(3)向所述燃料电池(2)的氢的供给的故障的步骤；和作为响应的备用供给步骤，在该备用供给步骤中，通过所述缓冲罐(7)向所述燃料电池(2)供给氢。
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