CN115516673A - 在具有多个燃料电池堆的燃料电池装置中的燃料再循环 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种燃料电池装置(1)，具有：燃料箱(2)，所述燃料箱具有分支形成部分燃料供应管线(4)的燃料供应管线(3)；多个燃料电池堆(5)，所述燃料电池堆在阳极入口侧分别具有燃料联接部(6)，所述燃料联接部分别与所述部分燃料供应管线(4)之一在流动技术上连接。燃料电池堆(5)中的仅一个在阳极出口侧与燃料再循环管线(7)连接，燃料再循环管线(7)的流动引导如此选择，使得燃料只能返回到与燃料再循环管线(7)连接的燃料电池堆(5)中。本发明还涉及一种用于运行燃料电池装置(1)的方法。

Description

在具有多个燃料电池堆的燃料电池装置中的燃料再循环
技术领域
本发明涉及一种燃料电池装置，其具有：燃料箱，该燃料箱具有分支形成部分燃料供应管线的燃料供应管线；以及多个燃料电池堆，所述燃料电池堆在阳极入口侧分别具有在流动技术上分别与部分燃料供应管线之一连接的燃料联接部。本发明还涉及一种用于运行燃料电池装置的方法。
背景技术
燃料电池用于尤其是在机动车辆中供应能量。为了提供所需量的能量，多个燃料电池布置在燃料电池堆中。为了驱动商用车辆，需要高功率，从而用于商用车辆的燃料电池装置优选地具有多个燃料电池堆。为了能够单独运行和控制这多个燃料电池堆，需要由各个反应物供应管线和废气管线构成的结构复杂的系统。为了有效使用燃料，还需要结构复杂的燃料再循环管线系统，这些燃料再循环管线与各个燃料电池堆流动连接。这意味着高成本耗费和复杂的系统运行。
CN 110 828 857 A和KR 2006 0024 900 A各自公开了具有多个燃料电池堆的燃料电池装置，所述燃料电池堆具有中心燃料再循环管线，其中，所述中心燃料再循环管线与每个燃料电池堆流体机械地连接。WO 2007/087240 A2公开了燃料电池装置中的多个燃料电池堆，其中，每个燃料电池堆具有与燃料供应管线流体机械地连接的燃料再循环管线。
发明内容
因此，本发明的目的是，提供一种燃料电池装置和一种用于运行燃料电池装置的方法，其产生高功率并且具有降低的系统复杂性。
与燃料电池装置相关的目的通过具有权利要求1的特征的燃料电池装置来实现。与用于运行燃料电池装置的方法相关的目的通过具有权利要求6的特征的方法来实现。在从属权利要求中说明了具有本发明的有益改进的有利设计。
该燃料电池装置的特征在于，燃料电池堆中的仅一个在阳极出口侧联接至燃料再循环管线。燃料再循环管线的流动引导在此如此选择，使得燃料只能被反馈到联接至燃料再循环管线的燃料电池堆中。因此，燃料再循环的显著简化以如下方式进行，即向仅一个堆供应再循环燃料。这种简化还降低了成本和在燃料电池装置内部对于燃料再循环所需的空间。此外设置成，燃料电池装置在燃料再循环管线中仅具有唯一的排除阀(Purgeventil)。换言之因此足够的是，燃料电池装置具有恰好一个排除阀。这也降低了成本耗费和复杂性。类似地，燃料电池装置优选地在燃料再循环管线中仅具有一个输送机构。该输送机构可以形成为喷射泵或再循环通风机。
尤其有利的是，存在数量与燃料电池联接部的数量相适应的流动路径，每个流动路径从燃料电池箱经由燃料供应管线且经由部分燃料供应管线之一被引导到燃料联接部之一，且仅仅具有最长的流动路径的最后一个燃料电池堆联接至燃料再循环管线。如果仅燃料电池堆中的最后一个联接至燃料再循环管线，那么在流动技术上位于最后一个燃料电池堆前面即上游的其它的燃料电池堆具有改进的运行，因为它们被供应有纯燃料。因此，对于这些其它的即未联接至燃料再循环管线的燃料电池堆，燃料分压更高，由此可以实现更高的电池电压和效率。
在备选的实施方式中设置成，存在有数量与燃料电池联接部的数量相适应的流动路径，每个流动路径从燃料电池箱经由燃料供应管线且经由部分燃料供应管线之一被引导到燃料联接部之一，并且仅具有最短流动路径的第一个燃料电池堆连接至燃料再循环管线。在此优点也在于，其它的在流动技术上位于第一个燃料电池堆后面的，即位于第一个燃料电池堆下游的其它燃料电池堆被供应以纯燃料，并且具有改进的运行或更高的燃料分压。其它的燃料电池堆因此实现更高的电池电压和效率。
此外有利的是，燃料再循环管线在流动技术上与燃料电池堆的部分燃料供应管线连接，该燃料电池堆联接至燃料再循环管线。这使得燃料能够有效地重新馈送到燃料电池堆的联接至燃料再循环管线的阳极室中。
然而原则上也可行的是，其它燃料电池堆中的一个，即既不是第一个也不是最后一个，联接至燃料再循环管线。
为了在其它燃料电池堆中优化使用燃料并为了提高效率，有意义的是，其它燃料电池堆在阳极出口侧在流动技术上与相邻燃料电池堆的部分燃料供应管线之一连接。这提高了在其它燃料电池堆内部的氢分压，并提高了其它燃料电池堆的效率。
用于运行燃料电池装置的方法，其特征在于以下步骤：
a)通过供应反应物激活联接至燃料再循环管线的燃料电池堆；
b)至少以联接至燃料再循环管线的燃料电池堆运行燃料电池装置；和
c)通过切断反应物的供应来停用联接至燃料再循环管线的燃料电池堆。
换言之，具有燃料再循环管线的燃料电池堆总是首先被激活。由此可以实现燃料电池装置的安全且高效的运行。同时，实现了对现有燃料的最佳利用。
还有利的是，在联接至燃料再循环管线的燃料电池堆被激活后，在燃料电池装置开启时然后才通过供应反应物并通过将至少一个其它的燃料电池堆与至少一个已经激活的燃料电池堆电连接来激活所述至少一个其它的燃料电池堆。这可以实现以多个燃料电池堆运行燃料电池装置，从而能够调用例如在商用车辆中实施燃料电池装置时所需的高功率。这也使得可以根据所要求的功率相互独立地激活各个燃料电池堆。
就此而言优选的是，在联接至燃料再循环管线的燃料电池堆停用之前，在燃料电池装置关闭时首先通过切断反应物的供应并且通过将其它燃料电池堆电断开来使其它燃料电池堆停用。在这种情况下也可行的是，也可以根据所要求的功率进行停用各个燃料电池堆，从而根据车辆所需的功率激活或停用燃料电池装置中相应数量的燃料电池堆。
此外有意义的是，其它燃料电池堆中的至少一个在比联接至燃料再循环管线的燃料电池堆更高的燃料压力下运行。尤其地，当最后一个燃料电池堆联接至燃料再循环管线时，就此而言设置成，具有所有流动路径中最短的流动路径的第一个燃料电池堆在比具有所有流动路径中最长的流动路径的最后一个燃料电池堆更高的燃料压力下运行。相反，有意义的是，在第一个燃料电池堆联接至燃料再循环管线时，具有所有流动路径中最长的流动路径的最后一个燃料电池堆在比具有所有流动路径中最短的流动路径的第一个燃料电池堆更高的燃料压力下运行。这在运行燃料电池装置时能够实现最佳的效率。
此外，就此而言设置成，如此选择至少一个其它燃料电池堆的燃料压力，使得该其它燃料电池堆的在阳极出口侧的燃料压力相应于联接至燃料再循环管线的燃料电池堆的在阳极出口侧的燃料压力。如果燃料电池堆中的最后一个燃料电池堆联接至燃料再循环管线，则尤其设置成，具有所有流动路径中最短的流动路径的第一个燃料电池堆的燃料压力如此选择，使得第一个燃料电池堆的在阳极出口侧的燃料压力相应于具有所有流动路径中最长的流动路径的最后一个燃料电池堆的在阳极出口侧的燃料压力。在备选的实施方式中，当燃料电池堆中的第一个燃料电池堆联接至燃料再循环管线时，有利的是，具有所有流动路径中最长的流动路径的最后一个燃料电池堆的燃料压力如此选择，使得最后一个燃料电池堆的在阳极出口侧的燃料压力相应于具有所有流动路径中最短的流动路径的第一个燃料电池堆的在阳极出口侧的燃料压力。
附图说明
本发明的其它优点、特征和细节由权利要求书、对优选实施方式的以下描述以及参考附图得出。在此：
图1示出具有多个燃料电池堆的燃料电池装置。
具体实施方式
燃料电池用于产生能量，并且尤其可以用于产生能量以用来驱动机动车辆。在这种情况下，优选将多个燃料电池组合在燃料电池堆5中。
每个燃料电池包括阳极、阴极以及将阳极与阴极隔开的质子可传导的聚合物膜。聚合物膜由离聚物优选磺化四氟乙烯聚合物(PTFE)或全氟磺酸聚合物(PFSA)形成。备选地，聚合物膜可以形成为磺化烃膜。
还可以将催化剂混入到阳极和/或阴极中，其中，膜优选在其第一侧和/或其第二侧上涂覆有催化剂层，该催化剂层由贵金属制成，或由包含贵金属如铂、钯、钌等的混合物制成，所述贵金属在相应的燃料电池的反应中用作反应促进剂。
可以通过阳极室向阳极供应燃料(例如氢气)。在聚合物电解质膜燃料电池(PEM燃料电池)中，燃料或燃料分子在阳极处裂解成质子和电子。PEM让质子通过，但对电子是不可通过的。在阳极处例如发生反应：2H2 → 4H+ + 4e-(氧化/电子释放)。当质子通过PEM到达阴极期间，电子通过外部电路被导引到阴极或储能器。
可以通过阴极室将阴极气体(例如氧气或含氧空气)供应给阴极，从而在阴极侧发生以下反应：O2 + 4H+ + 4e- → 2H2O(还原/电子吸收)。
为了确保针对氢质子通过PEM的离子电导率，需要在PEM中存在水分子。因此，尤其是阴极气体在其被供应给燃料电池之前被加湿，以引起PEM的水分饱和。
图1示出了燃料电池装置1，其具有多个燃料电池堆5,9,10,11和燃料箱2。这种燃料电池装置1例如可以用在商用车辆中，以产生高功率。燃料箱2具有燃料供应管线3，该燃料供应管线3分支形成部分燃料供应管线4。多个燃料电池堆5,9,10,11各自在阳极入口侧具有燃料联接部6。数量与部分燃料供应管线4的数量相适应的燃料阀13接入到部分燃料供应管线4中。这些燃料阀使得各个燃料电池堆5,9,10,11能够彼此独立地被供应燃料，即能够彼此独立地运行。
此外，存在数量与燃料电池联接部6的数量相适应的流动路径。每个流动路径从燃料电池箱2经由燃料供应管线3并且经由部分燃料供应管线4之一引导至燃料联接部6之一。在本实施例中，仅具有最长流动路径的燃料电池堆9,5中的最后一个联接至燃料再循环管线7。如由图1可见，这具有整个燃料电池装置1具有仅一个燃料再循环管线7的优点，由此也需要仅一个输送机构8和也仅一个排除阀12。输送机构8可以形成为喷射泵或再循环通风机。燃料通过燃料再循环管线7由输送机构仅仅返回引导到联接至燃料再循环管线7的燃料电池堆5的部分燃料供应管线4中。
在未示出的实施例中也可行的是，并非燃料电池堆5,9中的最后一个而是具有最短流动路径的燃料电池堆5,10中的第一个联接至燃料再循环管线7。
其它燃料电池堆11,5在阳极出口侧与相邻燃料电池堆5的部分燃料供应管线4之一在流动技术上连接。这导致在相应的燃料电池堆5,9,10,11中的燃料压力的压力增加。
除了用于将燃料供应到阳极空间中的单独的燃料联接部6之外，各个燃料电池堆还具有用于将阴极气体供应到燃料电池堆5的阴极空间中的单独的阴极气体联接部。在此，阴极气体联接部与阴极供应管线14连接，阴极供应管线14从压缩机15通过增压空气冷却器和加湿器16引导至燃料电池堆9,10,11。还存在有引导至加湿器16的阴极排放管线19。阴极气体被相应的压缩机15吸入，被该压缩机压缩，并且经由阴极供应管线14和增压空气冷却器17被导引到加湿器16中。
用于运行燃料电池装置1的方法根据如下进行。当燃料电池装置1开启时，联接至燃料再循环管线7的燃料电池堆5，即在本实施例中燃料电池堆9,5中的最后一个，首先通过供应反应物即燃料和阴极气体来激活。
在联接至燃料再循环管线7的燃料电池堆5激活之后，如果需要，通过供应反应物，且通过使至少一个其它的燃料电池堆5,11与至少一个已经激活的燃料电池堆5电连接来激活所述至少一个其它的燃料电池堆11,5。所述至少一个其它的燃料电池堆11,5在此优选地在比联接至燃料再循环管线7的燃料电池堆9,5的燃料压力更高的燃料压力下运行。燃料压力在此如此选择，使得所述至少一个其它的燃料电池堆11,5的在阳极出口侧的燃料压力相应于联接至燃料再循环管线7的燃料电池堆5,9的在阳极出口侧的燃料压力。燃料电池装置1现在与激活的燃料电池堆5,9,10,11一起运行。
通过分别激活燃料电池堆5,9,10,11可行的是，能够根据所要求的功率来运行燃料电池装置1。当燃料电池装置1关闭时，在联接至燃料再循环管线7的燃料电池堆9,5通过切断反应物的供应而被停用之前，首先通过切断反应物的供应和通过电断开其它的燃料电池堆11,5来停用其它的燃料电池堆11,5。
附图标记清单
1燃料电池装置
2燃料箱
3燃料供应管线
4部分燃料供应管线
5燃料电池堆
6燃料联接部
7燃料再循环管线
8输送机构
9最后一个燃料电池堆
10第一个燃料电池堆
11其它燃料电池堆
12排除阀
13燃料阀
14阴极供应管线
15压缩机
16加湿器
17增压空气冷却器
18加湿器排放管线
19阴极排放管线。

Claims (10)

1.一种燃料电池装置(1)，具有：燃料箱(2)，所述燃料箱具有分支形成部分燃料供应管线(4)的燃料供应管线(3)；多个燃料电池堆(5)，所述燃料电池堆在阳极入口侧分别具有燃料联接部(6)，所述燃料联接部分别与所述部分燃料供应管线(4)之一在流动技术上连接，其特征在于，所述燃料电池堆(5)中的仅一个在阳极出口侧联接至燃料再循环管线(7)，并且所述燃料再循环管线(7)的流动引导如此选择，使得所述燃料只能返回到联接至所述燃料再循环管线(7)的燃料电池堆(5)中。
2.根据权利要求1所述的燃料电池装置(1)，其特征在于，存在数量与所述燃料电池联接部(6)的数量相适应的流动路径，每个所述流动路径从所述燃料电池箱(2)经由所述燃料供应管线(3)且经由所述部分燃料供应管线(4)之一被引导到所述燃料联接部(6)之一，且仅仅具有最长的流动路径的最后一个燃料电池堆(9,5)联接至所述燃料再循环管线(7)。
3.根据权利要求1所述的燃料电池装置(1)，其特征在于，存在有数量与所述燃料电池联接部(6)的数量相适应的流动路径，每个所述流动路径从所述燃料电池箱(2)经由所述燃料供应管线(3)且经由所述部分燃料供应管线(4)之一被引导到所述燃料联接部(6)之一，并且仅具有最短流动路径的燃料电池堆(10,5)中的第一个联接至所述燃料再循环管线(7)。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的燃料电池装置(1)，其特征在于，所述燃料再循环管线(7)在流动技术上与所述燃料电池堆(5)的部分燃料供应管线(4)连接，该燃料电池堆联接至所述燃料再循环管线(7)。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的燃料电池装置(1)，其特征在于，所述燃料电池堆(11,5)中的其它在阳极出口侧在流动技术上与相邻燃料电池堆(5)的所述部分燃料供应管线(4)之一连接。
6.一种用于运行根据权利要求1至5中任一项所述的燃料电池装置(1)的方法，包括以下步骤：
a)通过供应反应物来激活联接至所述燃料再循环管线(7)的燃料电池堆(5)；
b)至少以联接至所述燃料再循环管线(7)的所述燃料电池堆(5)运行所述燃料电池装置(1)；和
c)通过切断所述反应物的供应来停用联接至所述燃料再循环管线(7)的所述燃料电池堆(5)。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，在联接至所述燃料再循环管线(7)的所述燃料电池堆(5)被激活后，在所述燃料电池装置(1)开启时才通过供应所述反应物并通过将至少一个其它的燃料电池堆(11,5)与至少一个已经激活的燃料电池堆(5)电连接来激活所述至少一个其它的燃料电池堆(11,5)。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，在联接至所述燃料再循环管线(7)的燃料电池堆(5)停用之前，在所述燃料电池装置(1)被关闭时首先通过切断所述反应物的供应并且通过将所述其它燃料电池堆(11,5)电断开来使所述其它燃料电池堆(11,5)停用。
9.根据权利要求7或8所述的方法，其特征在于，所述其它燃料电池堆(11,5)中的至少一个在比联接至所述燃料再循环管线(7)的所述燃料电池堆(5)更高的燃料压力下运行。
10.根据权利要求7至9中任一项所述的方法，其特征在于，如此选择所述其它燃料电池堆(11,5)中的至少一个的燃料压力，使得所述其它燃料电池堆(11,5)的在阳极出口侧的燃料压力相应于联接至所述燃料再循环管线(7)的所述燃料电池堆(5)的在阳极出口侧的燃料压力。
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