CN116529917A - 用于给燃料电池供应空气的设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于给燃料电池(3)供应空气的设备(10)，该设备具有至少一个空气输送装置(11)和至少一个加湿装置，加湿装置通过至少一个喷嘴(171‑178)将来自燃料电池(3)的冷凝出的产物水输入被压缩的进入空气流。该设备的特征在于，在进入空气流的流动横截面中形成有用于输入水的双组分喷嘴(171‑178)的场域(15)，其中，为每个双组分喷嘴(171‑178)形成有分隔开的可流过的横截面(161‑168)，分隔开的可流过的横截面(161‑168)中的每一个均包括具有阀座(24)和阀体(23)的阀(22)，阀体与流动相逆地通过复位力被压向阀座(24)的方向。

Description

用于给燃料电池供应空气的设备
技术领域
本发明涉及一种根据在权利要求1的前序部分中详细限定的类型的用于给燃料电池供应空气的设备。此外，本发明还涉及一种具有这种设备的燃料电池系统。
背景技术
燃料电池的空气供应通常通过空气输送装置、例如叶片机械进行，其被电动驱动并且必要时也可以由排出空气涡轮机辅助驱动。该结构通常称为“电动涡轮增压器”或“ETC”或“电机辅助的涡轮增压器”。在此，在压缩后，供送给燃料电池的进入空气相应被加热。在低温燃料电池、尤其是PEM燃料电池中，这是严重的缺点，并且在许多常规的结构中设置有增压空气冷却器。该增压空气冷却器在空气流过加湿器并且相应被加湿以在燃料电池中使用之前将空气冷却下来。该结构大而复杂并且在进入空气流中造成压力损失。尤其地，增压空气冷却器在此具有以下缺点，即该增压空气冷却器附加地对燃料电池系统的冷却回路施加负荷。因为在废热的通常低于100℃至120℃的相对低的温度水平下本来就很难导出燃料电池系统的废热，所以通过增压空气冷却器的附加的热量输入是很大的缺点。
DE 10 2004 038 633 B4现在提出了，以如下方式实现空气的加湿，即通过喷射器将燃料电池系统的冷凝物引入用作增压空气冷却器的热交换器中。因此，一方面，消耗了燃料电池的产物水，另一方面，可以省去设计为气体/气体加湿器的加湿器、例如膜加湿器。然而，在此冷却回路仍被施加负荷。
DE 10 2017 214 312 A1借助水对供送给燃料电池的进入空气流进行加湿，该水从燃料电池系统冷凝出并且通过喷射阀喷入压缩机后的体积流中。由此实现加湿，并可以省去常规的加湿器。增压空气冷却的主题在此不起作用，并且没有被提及。
发明内容
本发明的目的现在是，提供一种根据在权利要求1的前序部分中详细限定的类型的用于向燃料电池供应空气的改进的设备。
根据本发明，该目的通过具有权利要求1中并且在此尤其是在权利要求1的特征部分中的特征的设备来实现。该设备的有利的设计方案和改进方案由从属权利要求得到。在权利要求10中还说明了一种具有这种设备的燃料电池系统。
根据本发明的设备与在现有技术中类似地使用喷嘴来加湿进入空气流。在此，根据本发明，在进入空气流的横截面中形成有用于输入冷凝水的双组分喷嘴的场域/区域。在此，可为双组分喷嘴中的每一个提供分隔开的可流过的横截面，从而每个喷嘴被其空气流针对性地流入。这使得简单且非常有效地针对双组分喷嘴要加湿的空气的体积流量合适地设计双组分喷嘴。分隔开的可流过的横截面中的每一个在此包括阀座和阀体，阀体例如通过弹簧或另外的复位元件与流动相逆地经受朝向阀座的方向的复位力。
在此，按照根据本发明的设备的特别有利的改进方案，对于每个单个的分隔开的可流过的横截面，在设计中可以个体化地预设各个复位力，从而视由空气输送装置建立的压力和体积流量而定，总是仅所述一个或另一个或针对性数量的阀体从阀座抬起，以便相应的双组分喷嘴被流过并使输入相应双组分喷嘴的水雾化。如果在所有分隔开的可流过的横截面中所有阀体从其阀座抬起，则必然提供一个为最大的空气体积流量设计的相应的横截面，在该横截面中，在双组分喷嘴的场域中的所有双组分喷嘴被供应水并加湿体积流。
在此证实的是，对流体式压缩机/透平压缩机/叶轮压缩机之后的热的体积流的加湿是理想的，该体积流例如可以具有在150℃至250℃的数量级中的温度。根据所述构思的有利改进方案可以经由热交换器尤其是通过来自燃料电池系统的废热来预热的、所输入的水然后可以理想地在体积流中蒸发。由此一方面确保进入空气流的加湿，另一方面在空气输送装置之后冷却进入空气流。视所需的进入空气流而定，适当的加湿可由于与该体积流量相适配的数量的分隔开的可流过的横截面被流过而确保。由此可以实现理想的适配。这样设计的用于供应空气的设备尤其可以省去增压空气冷却器和加湿器，从而有效减少在进入空气流中产生的压力损失。此外，可以节省部件和部件所需的结构空间，从而这也提供了另外的优点。
在上面已经描述过的设计变型方案(其中，冷凝水相应被预热，更确切地说通过燃料电池系统本身的废热来预热)中，该结构还能够实现燃料电池的冷却回路的去负荷。该冷却回路不仅由于省去增压空气冷却器的可能性而被去负荷，而且通过在雾化之前使用来自燃料电池的冷却回路的热量来预热冷凝水而被去负荷。在此，这在很大程度上有助于进一步优化在低温燃料电池中冷却回路的原本在导出废热方面关键的状况。
该结构的另外的非常决定性的优点还在于使用阀体和阀座，它们通过由空气输送装置输送的体积流量根据需要被打开。如果该体积流量下降至特定的限值以下或完全消失，那么阀体被压到或拉到阀座上，并且该结构被密封。因此，作为根据本发明的设备的附加用途产生无源的阴极截止阀，其总是在空气输送装置不运行并且因此不希望空气流过燃料电池时有效防止这种流过。
该类型的常见的在压力下自动打开的阀例如可以通过弹簧进行操作。这具有以下缺点，即随着体积流量的增大和阀座与阀体之间的开口横截面的增大，弹簧的复位力也会增大。这可能导致阀体来回摆动，并且因此导致不均匀的流动，这由于所出现的压力波动而可能对于随后的部件和/或计量精度是不利的。按照根据本发明的设备的一非常有利的改进方案，因此将磁力用作复位力。磁力于是在例如在阀体的区域中的、但优选在阀座的区域中的可切换的磁体和/或永磁体与在阀座的区域中的或优选在阀体的区域中的可磁化的材料、例如钢合金或铁合金之间作用。例如，阀体设计为空心的铁球或钢球的形式，优选具有例如由塑料构成的耐化学涂层。然后，将阀体永磁性地和/或电磁地保持在阀座上。随着体积流量的增大，由于被设计为空心球而具有小的质量并且相应动态地作出反应的阀体从阀座抬起并且释放可流过的横截面。随着体积流量的增大，这种可流过的横截面变大。与在弹簧加载的球的情况中不同地，在磁性复位力的情况中，随着阀体与阀座的距离增大，复位力也减小，从而产生相应阀的递减的力-位移特性曲线，这对于上述的一方面用于控制进入到相应的双组分喷嘴的进入空气流、另一方面作为阴极截止阀的使用可能性是理想的。
根据本发明的设备的另外的非常有利的设计方案还可以规定，水可以通过输送装置直接输送到双组分喷嘴或通过收集管路输送到双组分喷嘴。根据输送压力和被输送的体积流量，可以调节用于加湿的水量。尤其地，收集管路的使用在此还能够实现在包围该设备的系统的其他区域中、尤其在包围该设备的燃料电池系统的其他区域中使用水。例如，在本申请人的专利申请DE 10 2020 206 156 A1中基本上描述了这种利用水收集管路对水的使用。
被收集的水可以并且应该经过相应的清洁装置和过滤器，例如以便以机械方式抑制杂质并且去除积聚在水中的离子。例如，可以设置水过滤器与离子交换器滤芯的组合，并且例如可以将其布置在收集管路的区域中，或者布置在这种系统的各个水分离器与优选被加热的、尤其包括上述的热交换器的收集容器之间。
在此，具有相应的双组分喷嘴和阀的各个分隔开的可流过的横截面可以根据该构思的一非常有利的改进方案直接布置在作为空气输送装置的流动式压缩机的输出端处。在该情况下，“直接”意味着没有另外的组件连接在它们之间。尤其地，根据本发明的设备可以设计为，使得分隔开的横截面的阀和双燃料喷嘴直接法兰连接在流动式压缩机的输出端处，以便将通过其冷却和加湿的进入空气直接或通过短的管路输入燃料电池的阴极室中。在此，在该紧接着流动式压缩机的输出端之后的区域中，进入空气具有最高温度，从而可以理想地进行被预热的水的蒸发，以便一方面对该进入空气进行加湿，另一方面将其冷却到适用于燃料电池的温度水平。
在此，根据该设备的一特别有利的改进方案可以规定，至少两个空气输送装置和/或加湿装置被设置成顺序的级联。两个这种彼此衔接的加湿器喷嘴和/或增压级可以用于本身已知的分级增压。这能够实现结构的更高的可变性，并且允许有效地加湿不同的材料流。
相应的空气输送装置在此可以是具有空气输送装置、排出空气涡轮机和电机的电动辅助的涡轮增压器的一部分。这种通常也作为术语ETC(电动涡轮增压器)或电机辅助的涡轮增压器已知的结构理想地适用于有效地实现燃料电池的空气供应。除了通常需要的由电机提供的驱动功率以外，补充地，从排出空气回收的能量可以通过涡轮机用于压缩。如果在涡轮机的区域中存在比为驱动空气输送装置所需的能量更多的能量，那么电机也以发电机方式运行，以便以电能的形式回收该能量并将其临时存储。在此，这既适用于使用两个空气输送装置的情况也适用于使用一个空气输送装置的情况。
该设备的整个结构在此可以集成在燃料电池系统中，该燃料电池系统具有燃料电池、尤其是单电芯堆、所谓的燃料电池组。在此，燃料电池系统本身可以用于不同的固定的或移动的应用。燃料电池系统尤其可以用于为车辆提供电驱动能量。尤其在这样的车辆应用中一方面有利的是，重新利用收集的产物水，以便不必将其排放到道路上，另一方面，通过根据本发明的设备实现的在结构体积、重量、能量效率和部件节省方面的决定性的优点在此是一个特别大的优点。
附图说明
根据本发明的设备的另外的有利的设计方案也由随后参考附图详细描述的实施例产生。在此：
图1示出了车辆中的示意性示出的具有根据本发明的设备的燃料电池系统；
图2示出了根据图1中的线II-II剖开的设备的一部分的剖视图；并且
图3示出了根据图2中的线III-III剖开的示意性的剖视图。
具体实施方式
在图1的图示中可看到非常示意性示出的车辆1、例如商用车或乘用车。其电驱动功率的至少一部分由在此仅部分且非常简化地示出的燃料电池系统2提供给该车辆1。该燃料电池系统包括燃料电池3作为核心，该燃料电池例如构造为利用PEM技术的单电芯堆、即所谓的燃料电池堆。纯示例性地，在此示例性示出了公共的阴极室4和公共的阳极室5。来自储氢系统6的氢气被供应至阳极室5，残余氢气通过带有水分离器8的排气管路7从系统排出。阳极侧的其他的变型方案在此当然也是可能的。因为这些其他的变型方案对于本发明来说是次要的，所以不再对此进行进一步讨论。然而，本领域技术人员清楚的是，不同的氢气存储系统、不同的计量装置和具有一个或多个再循环输送装置的阳极回路等在此是可想到的和可行的。
经由用于供应空气的设备10向阴极室4供应空气作为氧气供应物。该设备10的一部分是空气输送装置11，该空气输送装置例如可以设计为所谓的电动涡轮增压器12的一部分。这种本身已知的电动涡轮增压器12除了优选设计为流动式压缩机的空气输送装置11以外还包括排出空气涡轮机13和电机14。其工作原理原则上是已知的，从而不必对此进行进一步讨论。
在空气输送装置11后，存在供送给燃料电池3的阴极室4的热的干燥的、被压缩的进入空气流。该被压缩的进入空气流现在优选紧接在空气输送装置11后直接进入分别具有双组分喷嘴的各个可流过的横截面的场域中。在图2的示意性的剖视图中再次示出了在图1中用15表示的场域。各个可流过的横截面在此利用附图标记161–168表示。例如，所述可流过的横截面可以是圆形的并且布置在进入空气的流动横截面内。在每个单独的分隔开的可流过的横截面161–168的中心中存在双组分喷嘴171–178，其一方面被流过可流过的横截面161–168的在空气输送装置11之后的干燥的热空气的体积流流过，并且另一方面通过如在图1的图示中可看到的输送装置18被供应水。该水在此是去离子水，其在燃料电池系统2中被冷凝并收集。纯示例性地，在图1的图示中示出了两个水分离器。一方面，这在阳极侧是已经提到的水分离器8，另一方面，这在连接阴极室4和排出空气涡轮机13的排出空气管路19中是在此用9表示的阴极侧的水分离器。这样收集的产物水例如进入在此示例性示出的并用20表示的储箱中，并且在该储箱中或沿流动方向在该储箱后通过热交换器21被预热，并且随后进入输送泵18的区域中，以便因此根据所产生的输送压力和所产生的体积流量供应给相应的双组分喷嘴171–178。例如，这可以针对每个所述双组分喷嘴171-178直接进行，并且必要时通过阀可切换地进行，或通过收集管路进行，从该收集管路流向相应的双组分喷嘴。
设备10的该结构也可以改变成，使两个或必要时更多个空气输送装置依次连接成顺序的级联。在空气输送装置后分别是相应的双组分喷嘴171-178，以便加湿相应的空气流并提供在此描述的其他的功能性。
现在在图3的图示中以剖视图再次示出了分隔开的可流过的横截面中的一个、在此例如为横截面164。该横截面包括双组分喷嘴174和由阀体23和阀座24构成的阀22。阀体23可以优选设计为具有塑料护套的空心的钢球。在阀座24的区域中存在永磁体25，该永磁体例如设计为环绕的环。该永磁体将吸引力施加到阀体23上，使得在小的体积流量或没有体积流量的情况下，相应的可流过的横截面161–168通过阀22来封闭。当空气输送装置11不工作时，情况尤其如此。由此，在车辆1的纯电动运行中或者当车辆停止时通过外部风效应防止空气、例如行车风流过阴极室4，这非常有利于防止新鲜的氧气渗入燃料电池3中，这在稍后重新启动的情况下导致所谓的空气/空气启动并损坏燃料电池3。
现在，随着来自空气输送装置11的体积流量的增大，首先是一个、然后是多个在相应的可流过的横截面161–168中的阀22相应打开。尤其可以调节复位力，使得适配于来自空气输送装置11的相应的体积流量地，适当数量的可流过的横截面161–168通过其阀22被开放，例如首先是中心的可流过的横截面161，然后是越来越多的在中央布置在该中心的可流过的横截面周围的可流过的横截面161-168，直到在来自空气输送装置11的最大体积流量的情况下所有可流过的横截面161–168都通过其相应的阀22被开放。一旦通过阀22开放了相应的可流过的横截面161–168，空气就流过该可流过的横截面。如果同时输入水，那么水通过双组分喷嘴171-178在位于空气输送装置11之后的干燥的热空气流中相应被雾化，从而使得雾化成细液滴的水颗粒可以在体积流中蒸发。由此，一方面导致对进入空气流的非常有效的冷却，另一方面导致对进入空气流的非常好的加湿。双组分喷嘴171-178在此可以设计为，使得其适配于相应的体积流量，从而总是产生水的理想的雾化，并且因此产生理想的加湿和冷却。这对于所输入的空气的每个体积流量都是适用的，因为通过阀22总是被动地仅释放与相应的体积流量相适配的数量的可流过的横截面。同时，所有阀22一起在空气输送装置被切断时将阴极室4与环境隔绝。因此得到精细的阶梯式的特性曲线，其一方面通过空气输送装置11的输送压力和体积流量以及通过输送泵18的输送压力和体积流量允许相应的调节，以便使用来自燃料电池系统2的在热压缩的空气中被预热的水来加湿进入空气流。在此，预热尤其可以通过来自燃料电池3本身的废热在热交换器21中进行，从而使废热的这种附加的使用给燃料电池系统2和进而车辆1的冷却系统去负荷。

Claims (10)

1.一种用于给燃料电池(3)供应空气的设备(10)，该设备具有至少一个空气输送装置(11)和至少一个加湿装置，该加湿装置借助至少一个喷嘴(171-178)将来自燃料电池(3)的冷凝出的产物水输入被压缩的进入空气流，其特征在于，在进入空气流的流动横截面中形成有用于输入水的双组分喷嘴(171-178)的场域(15)，其中，为双组分喷嘴(171-178)中的每一个形成有分隔开的可流过的横截面(161-168)，分隔开的可流过的横截面(161-168)中的每一个均包括具有阀座(24)和阀体(23)的阀(22)，该阀体与流动相逆地通过复位力被压向阀座(24)的方向。
2.根据权利要求1所述的设备(10)，其特征在于，复位力作为磁力形成在阀体(23)的区域中的可切换的磁体和/或永磁体与阀座(24)的可磁化的材料之间，或形成在优选阀座(24)的区域中的可切换的磁体和/或永磁体与优选阀体(23)的可磁化的材料之间。
3.根据权利要求2所述的设备(10)，其特征在于，阀体(24)被设计为由可磁化的材料组成的空心球。
4.根据权利要求1、2或3所述的设备(10)，其特征在于，为分隔开的可流过的横截面(161-168)中的每一个设置复位力，其中，分隔开的可流过的横截面(161-168)中的至少两个具有不同的预给定参数和/或横截面积。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的设备(10)，其特征在于，水能够通过输送泵(18)直接输送至双组分喷嘴或通过收集管路输送至双组分喷嘴(171-178)。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的设备(10)，其特征在于，水沿流动方向在双组分喷嘴(171-178)之前流过热交换器(21)，热交换器优选能借助包括燃料电池(3)的燃料电池系统(2)的废热来运行。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的设备(10)，其特征在于，分隔开的可流过的横截面(161-168)直接布置在用作空气输送装置(11)的流动式压缩机的输出端。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的设备(10)，其特征在于，至少两个空气输送装置(11)和/或加湿装置被设置成顺序的级联。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的设备(10)，其特征在于，进入空气流不经过增压空气冷却器和膜加湿器。
10.一种燃料电池系统(2)，该燃料电池系统具有燃料电池(3)和根据权利要求1至9中任一项所述的设备(10)，该燃料电池系统尤其用于给车辆(1)供应其电驱动功率的至少一部分。
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