CN116936854A - 燃料电池装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于推进机动车辆的燃料电池装置，包括燃料电池(1)和用于储存过冷的气态和/或液态氢的低温罐(2)，还包括汽化管理系统(3)，其中所述汽化管理系统(3)包括汽化管线(4)、空气供给管线(6)、混合室(7)、连接在混合室(7)下游的催化转化器(8)以及催化转化器(8)下游的出口(9)，其中所述燃料电池装置还包括燃料电池废气通道(10)，其中，在所述燃料电池(1)的阳极吹扫操作之后，废气通过所述燃料电池废气通道(10)排出，其中，所述燃料电池废气通道(10)构造成使得流经所述燃料电池废气通道(10)的介质能够至少选择性地和/或部分地被引导到所述汽化管理系统(3)的空气供给管线(6)中。本发明还涉及用于运行这样的燃料电池装置的方法。

Description

燃料电池装置
技术领域
本发明涉及一种用于推进机动车辆的燃料电池装置，以及一种用于运行所述类型的燃料电池装置的方法。
背景技术
一种用于推进机动车辆的燃料电池装置可包括燃料电池，该燃料电池可将作为燃料电池的燃料的氢(H2)与氧化剂一起转化为用于推进机动车辆的电能。为了储存运行燃料电池所需的氢，这种机动车辆可以携带用于储存过冷气态和/或液化氢的低温罐，也称为“低温罐”或“低温容器”。
由于不可避免地将热量引入到用过冷气态和/或液态氢运行的燃料电池车辆的低温容器中，持续地进行氢的汽化和密度的变化。因此，也有可能使罐中的温度保持恒定(所谓的“汽化”)。为了将罐中的压力保持在特定阈值以下，所述罐处的阀(所谓的“汽化阀”，BOV)打开，由此气态氢被释放到周围环境中。为了消除由周围环境中过高的氢浓度引起的危险(例如点火或爆炸)，释放的气体可以与周围空气中的氧催化反应，从而反应形成水蒸气。该系统被称为“汽化管理系统”(BMS)。因为在氢车辆的运行期间，总是提取或总是能够提取足够量的气态氢用于运行，所以只有在车辆已经处于静止相对长的时间段之后，即所谓的“休眠时间”之后，才需要BMS。一旦(且仅当)汽化阀打开，释放的氢的流出、与空气的混合和催化反应完全被动地或者说无源地发生，也就是说，不需要人或进一步的电子或机械系统的任何动作。
当燃料电池系统起动时，但也在运行期间以周期性间隔地、阳极或阳极电路必须被吹扫或者说清洗，以便吹扫已扩散到阳极的惰性气体(氮气)和/或由于反应而聚集的冷凝水，并且为了将其从反应表面移除。这种操作(“吹扫”)非常频繁地发生，并且是可以计划的。根据操作模式，吹扫操作可以持续大约几秒钟，并且每1分40秒重复一次。阳极的吹扫可以例如通过在设定的上游压力存在的情况下打开用于氢气的出口阀几秒钟来进行。
空气压缩机提供压缩空气，以供给阴极侧所需的氧气。对于燃料电池运行后的后处理，燃料电池系统具有用于供应新鲜空气或阴极废气质量流的设施，以便将存在的任何反应物(例如在吹扫操作之后)冲洗出系统，并且以便通过稀释消除可燃气体混合物。
如果很少达到汽化阀的开启压力，BMS因此很少被激活，这可能导致催化转化器的钝化。然后需要额外的复杂措施来重新激活和/或保持BMS的功能。
发明内容
本发明的一个目的是描述一种用于推进机动车辆的燃料电池装置，该燃料电池装置避免了上述问题，并且特别是通过简单和廉价的手段确保所述燃料电池装置的汽化管理系统的功能，即使汽化阀在相对长的时间内没有打开。本发明的另一个目的是描述一种用于运行燃料电池装置的方法，该方法确保所述燃料电池装置的汽化管理系统的功能，即使汽化阀在相对长的时间内没有打开。
所述目的通过用于推进机动车辆的燃料电池装置来实现，包括燃料电池和用于储存过冷的气态和/或液态氢的低温罐，还包括汽化管理系统(BMS)，以便将低温罐中的压力保持在阈值以下，其中所述汽化管理系统包括汽化管线，其流体连通至低温罐并具有汽化阀，并且汽化管理系统包括空气供给管线以及混合室，混合室用于将通过汽化管线流入的介质与通过空气供给管线流入的介质混合，并且汽化管理系统包括连接在所述混合室下游的催化转换器和连接在所述催化转换器下游的出口，其中所述燃料电池装置还包括燃料电池废气通道，其中，在所述燃料电池的阳极吹扫操作之后，废气通过所述燃料电池废气通道排出，其中所述燃料电池废气通道被构造成使得流经所述燃料电池废气通道的介质能够至少选择性地和/或部分地被引导到所述汽化管理系统的空气供给管线中。
根据本发明，机动车辆的燃料电池装置具有汽化管理系统，该汽化管理系统以本身已知的方式具有催化转化器和在催化转化器上游的混合室。在混合室中，流经汽化管线的介质(该介质通常具有高氢含量)可以与经由空气供给管线供给到混合室的空气或氧气混合。
根据本发明，燃料电池装置现在被设计成使得汽化管理系统被激活，优选地以规则的间隔被激活，即使当不需要汽化运行时也是如此，因此优选地汽化阀不被打开。为此目的，在任何情况下都存在的燃料电池废气通道(特别是为了在燃料电池的吹扫操作之后排放废气)被布置成使得流经燃料电池废气通道的介质(该介质优选同样具有高氢含量)被至少选择性地和/或部分地引导到汽化管理系统的空气供给管线中。
吹扫操作期间的阳极废气质量流优选地暂时不被新鲜空气或阴极废气质量流稀释，或仅被暂时稍微稀释。因此连续富氢的燃料电池废气质量流优选地暂时引入(特别优选地借助于阀，例如三通阀)到液氢储存器的BMS的空气入口，经由空气入口进入催化转化器，并在后者中放热反应。
这样，通过储氢系统外围设备(BMS)和燃料电池系统之间的协同作用的功能集成和利用，实现了系统效率和安全性的提高。
即使很少达到汽化阀的开启压力，BMS也以这种方式被激活，从而防止催化转化器的钝化并且保持BMS的功能。
以这种方式也可以降低用于吹扫操作的新鲜空气压缩机的功率：在燃料电池系统的清洗期间，无论是在操作开始时、在操作期间还是在操作结束时，空气压缩机通常以特别高的功率工作作为对策。然后所述空气压缩机的声音更大，并且由于其能量消耗而降低系统效率。通过在吹扫操作后使用BMS，因此可以实现成本节约和压缩机使用寿命的延长。总之，实现了吹扫操作期间所需对策的简化，并实现了由于BMS中的氢反应而增加的安全性。
阳极废气通常仅仅由于后处理而被稀释，因此氢的绝对排放量没有减少。这对总氢排放和车辆周围可能的氢富集有影响。因此，在吹扫操作后使用BMS也可以提高安全性。
根据本发明的解决方案中的表述“燃料电池”也可以理解为可以包括多个燃料电池的燃料电池系统。然后，燃料电池系统具有燃料电池废气通道。
优选地，燃料电池废气通道被构造成使得流经燃料电池废气通道的介质可以至少选择性地和/或部分地被引导到汽化管理系统的空气供给管线处的空气入口，特别是空气入口漏斗。空气入口可以由空气供给管线的管道的端部形成。
优选地，在汽化管理系统的空气供给管线处的空气入口，特别是空气入口漏斗被配置成使得除了流过燃料电池废气通道的介质之外，空气或氧气也可以流过在汽化管理系统的空气供给管线处的相同空气入口，特别是相同的空气入口漏斗。
在清洗废气管(即燃料电池废气管道)和BMS的空气入口或空气入口漏斗之间不需要设置密封管道，使得在保护罐式容器所需的正压力的耗散的期间，氢气通过汽化阀和“汽化管线”进入BMS，然后需要的氢气燃烧所需的氧气也可以流入/经由BMS的空气供给管线。
用于燃料电池清洗废气流入BMS空气入口区域的连接优选地实现为使得BMS的“吸入新鲜空气”功能不会因此而显著受损。
优选地，燃料电池废气通道可以通过三通阀选择性地流体连接到汽化管理系统的空气供给管线和燃料电池废气通道出口。
优选地，在燃料电池装置中，提供了用于将阳极废气质量流与空气和/或阴极废气质量流混合的混合器件，阳极废气质量流在燃料电池的阳极吹扫操作之后通过燃料电池废气通道排出，其中，所述混合器件被配置成使得，与所述阳极废气质量流被引导到燃料电池废气通道出口相比，如果所述阳极废气质量流被引导到所述汽化管理系统的空气供给管线中，那么在所述燃料电池的阳极吹扫操作之后通过所述燃料电池废气通道排放的阳极废气质量流与空气和/或阴极废气质量流的混合程度更低，或者根本不混合。
混合器件可特别地包括控制单元，当阳极废气质量流被引导到汽化管理系统的空气供给管线中时，该控制单元将阳极废气质量流与空气和/或阴极废气质量流以更小程度混合或根本不混合。
混合器件可包括压缩机，用于将在燃料电池的阳极吹扫操作之后通过燃料电池废气通道排放的阳极废气质量流与空气和/或阴极废气质量流混合，其中，优选地，与如果所述阳极废气质量流被引导到燃料电池废气通道出口相比，如果阳极废气质量流被引导到汽化管理系统的空气供给管线中，压缩机以更低水平工作，或者根本不工作。
在根据本发明的用于运行燃料电池装置的方法中，在燃料电池的阳极吹扫操作之后，废气通过燃料电池废气通道排出，其中流经燃料电池废气通道的介质至少选择性地和/或部分地被引导到汽化管理系统的空气供给管线中。
优选地，流经燃料电池废气通道的介质以规则的时间间隔至少部分地被引导到汽化管理系统的空气供给管线中，使得BOM的催化转化器被规则地激活。
优选地，所述阳极废气质量流被引导到燃料电池废气通道出口相比，所述阳极废气质量流被引导到汽化管理系统的空气供给管线中，在燃料电池的阳极吹扫操作之后通过燃料电池废气通道排放的阳极废气质量流与空气和/或阴极废气质量流以更高低程度混合或者根本不与空气和/或阴极废气质量流混合。特别优选地，如果阳极废气质量流被引导到汽化管理系统的空气供给管线中，而不是所述阳极废气质量流被引导到燃料电池废气通道出口，则压缩机以更低水平工作，或者根本不工作。
附图说明
下面将参考附图以示例的方式描述本发明。
图1示出了根据本发明的燃料电池装置的示意图。
具体实施方式
该附图示出了根据本发明的燃料电池装置，其包括燃料电池或燃料电池系统1和用于储存液态氢的低温罐2。
低温罐2包括汽化管理系统3，以便将低温罐2中的压力保持在阈值以下，其中汽化管理系统3包括汽化管线4，该汽化管线4流体连接到低温罐2并且具有汽化阀5，并且汽化管理系统包括空气供给管线6以及混合室7，该混合室7用于将通过汽化管线4流入的介质与通过空气供给管线6流入的介质混合。汽化管理系统3还包括连接在混合室7下游的催化转化器8和连接在催化转化器8下游的出口9。
例如，燃料电池或燃料电池系统1可以被定期清洗，其中，与阴极废气质量流15和/或与空气混合的阳极废气质量流14然后通过燃料电池废气通道10输送到燃料电池废气通道出口13，并且例如在燃料电池废气通道出口13释放到周围环境中。
阳极废气质量流14可以由具有高氢含量的燃料电池阳极废气形成。阴极废气质量流15可以由压缩机提供，并且可以包含氧气。氢、大气气体和/或水蒸气等可以存在于燃料电池废气通道10中。
燃料电池废气通道10被构造成使得流过燃料电池废气通道10的介质可以被选择性地引导到汽化管理系统3的空气供给管线6中，更具体地，被引导到汽化管理系统3的空气供给管线6的空气入口11，特别是空气入口漏斗中。燃料电池废气通道10可通过三通阀12选择性地连接到汽化管理系统3的空气供给管线6和燃料电池废气通道出口13。
除了流经燃料电池废气通道10的介质之外，新鲜空气或氧气也可以流经汽化管理系统3的空气供给管线6处的相同空气入口11。空气过滤器16可选地布置在空气供给管线6中。
如果所述阳极废气质量流被引导到汽化管理系统3的空气供给管线6中，而不是所述阳极废气质量流被引导到燃料电池废气通道出口13，在燃料电池或燃料电池系统1的阳极吹扫操作之后通过燃料电池废气通道10排放的阳极废气质量流14可以与空气和/或与阴极废气质量流15发生更小程度的混合或者根本不发生混合，因为阳极废气质量流14的氢气在汽化管理系统3的催化转换器8中反应。
附图标记清单
1燃料电池
2低温罐
3汽化管理系统
4汽化管线
5汽化阀
6空气供给管线
7混合室
8催化转化器
9出口
10燃料电池废气通道
11进气口
12三通阀
13燃料电池废气通道出口
14阳极废气质量流量
15阴极废气质量流量
16空气过滤器。

Claims (9)

1.一种用于推进机动车辆的燃料电池装置，包括燃料电池(1)和用于储存过冷的气态和/或液态氢的低温罐(2)，还包括汽化管理系统(3)用于将低温罐(2)中的压力保持在阈值以下，其中所述汽化管理系统(3)包括汽化管线(4)，所述汽化管线(4)流体连通至低温罐(2)并具有汽化阀(5)，并且汽化管理系统(3)包括空气供给管线(6)和混合室(7)，所述混合室(7)用于将通过汽化管线(4)流入的介质与通过空气供给管线(6)流入的介质混合，并且汽化管理系统(3)包括连接在混合室(7)下游的催化转化器(8)以及连接在所述催化转化器(8)下游的出口(9)，其中所述燃料电池装置还包括燃料电池废气通道(10)，其中，在所述燃料电池(1)的阳极吹扫操作之后，废气通过所述燃料电池废气通道(10)排出，其特征在于，所述燃料电池废气通道(10)构造成使得流经所述燃料电池废气通道(10)的介质能够至少选择性地和/或部分地被引导到所述汽化管理系统(3)的空气供给管线(6)中。
2.根据权利要求1所述燃料电池装置，其特征在于，所述燃料电池废气通道(10)被构造成使得流经所述燃料电池废气通道(10)的介质能够至少选择性地和/或部分地被引导至所述汽化管理系统(3)的所述空气供给管线(6)处的空气入口(11)、特别是空气入口漏斗。
3.根据权利要求2所述燃料电池装置，其特征在于，在汽化管理系统(3)的空气供给管线(6)处的空气入口(11)、特别是空气入口漏斗被构造成使得除了流经燃料电池废气通道(10)的介质之外，空气或氧气也能够流过在汽化管理系统(3)的空气供给管线(6)处的相同空气入口(11)，特别是相同的空气入口漏斗。
4.根据权利要求1所述燃料电池装置，其特征在于，所述燃料电池废气通道(10)能够通过三通阀(12)选择性地流体连通至所述汽化管理系统(3)的空气供给管线(6)和燃料电池废气通道出口(13)。
5.根据权利要求1所述燃料电池装置，其特征在于，在燃料电池装置中提供了用于将阳极废气质量流(14)与空气和/或阴极废气质量流(15)混合的混合器件，阳极废气质量流(14)在燃料电池(1)的阳极吹扫操作之后通过燃料电池废气通道(10)排出，其中所述混合器件构造成：如果所述阳极废气质量流被引导到汽化管理系统(3)的空气供给管线(6)中，而不是所述阳极废气质量流被引导到燃料电池废气通道出口(13)中，那么在所述燃料电池(1)的阳极吹扫操作之后通过所述燃料电池废气通道(10)排放的阳极废气质量流(14)与空气和/或与阴极废气质量流(15)发生更低程度的混合或者根本不发生混合。
6.根据权利要求1所述的燃料电池装置，其特征在于，所述混合器件包括压缩机，所述压缩机用于将在所述燃料电池(1)的阳极吹扫操作之后通过所述燃料电池废气通道(10)排放的所述阳极废气质量流(14)与空气和/或阴极废气质量流(15)混合，其中优选地，与所述阳极废气质量流被引导到燃料电池废气通道出口(13)中相比，当阳极废气质量流(14)被引导到汽化管理系统(3)的空气供给管线(6)中时，压缩机以更低水平工作或者根本不工作。
7.一种用于运行根据权利要求1所述的燃料电池装置的方法，其特征在于，在燃料电池(1)的阳极吹扫操作之后，废气通过燃料电池废气通道(10)排出，其中流经燃料电池废气通道(10)的介质被至少选择性地和/或部分地引导到汽化管理系统(3)的空气供给管线(6)中。
8.根据权利要求7所述方法，其特征在于，流经燃料电池废气通道(10)的介质以规则的时间间隔至少部分地导入汽化管理系统(3)的空气供给管线(6)中。
9.根据权利要求7所述方法，其特征在于，与所述阳极废气质量流被引导到燃料电池废气通道出口(13)相比，当所述阳极废气质量流被引导到汽化管理系统(3)的空气供给管线(6)中时，在所述燃料电池(1)的阳极吹扫操作之后通过所述燃料电池废气通道(10)排出的阳极废气质量流(14)与空气和/或与阴极废气质量流(15)发生更低程度的混合或者根本不发生混合，其中优选地，与所述阳极废气质量流被引导到燃料电池废气通道出口(13)中相比，当阳极废气质量流(14)被引导到汽化管理系统(3)的空气供给管线(6)中时，压缩机以更低水平工作或者根本不工作。
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