CN116964793A - 用于燃料电池系统的多个阴极的供应设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于向燃料电池系统的多个阴极(100a‑100d)供应压缩空气的供应设备，其特征在于，设备包括被配置为向所有阴极(100a‑100d)提供压缩空气的源的机动压缩机(12)，被配置为将压缩空气引导至每个阴极(100a‑100d)的导管组，对于每个阴极(100a‑100d)，所述阴极(100a‑100d)的上游或下游的比例阀(20a‑20d)被配置为调节经过所述阴极(100a‑100d)的压缩空气的流速，被配置为准许压缩空气流离开压缩机(12)的最小流速的流动的防泵送保护装置(30、32)，以及被配置为控制压缩机(12)的速度以及每个比例阀(20a‑20d；22a‑22d)和/或防泵送保护装置(30、32)的运行的打开或关闭的控制设备(24)。

Description

用于燃料电池系统的多个阴极的供应设备
技术领域
本发明涉及用于燃料电池系统的阴极的供应设备。更具体地，本发明涉及使得可以共有化对形成燃料电池系统的燃料电池的多个阴极的供应的供应设备。
背景技术
如今，为运输车辆，特别是飞机提供燃料电池的趋势在增长，因为这些电池形成清洁的、可靠的以及灵活的能源。
燃料电池(Fuel Cell，也被称为缩写FC)，诸如氢电池基于的原理是在磷酸二氢和双氧之间的氧化还原反应。这两种分子构成了在其中能量可以被存储在燃料电池应用内的化学燃料。
因此，燃料电池本身是具有两个电极的发电机，燃料电池准许通过在一个还原性燃料，例如氢，的电极上的氧化作用与在另一个氧化剂，例如来自空气诸如氧，的电极上的还原作用的耦合来产生电能。
电池的氧化还原反应不仅准许产生电，还可以产生副产品，诸如水、热以及耗尽氧的空气。
特别地，在阳极处的氧化反应使得可以分解与催化剂接触的氢分子以释放电子和排出热。在阴极处的还原反应使得可以通过在氧和由氧化作用释放的电子之间的接触来形成氧离子。此外，氢质子与氧离子重新结合以形成水。
向阴极的氧气供应例如经由压缩空气来实现，该压缩空气包含足够的氧气以准许反应。
在航空、铁路、海事或自动车辆中，压缩空气由压缩机提供，经由外部空气入口向压缩机供应例如从外部吸入的空气。
在燃料电池系统中，必须供应多个阴极，这些阴极属于例如根据应用并联或串联连接的不同的燃料电池。
目前的做法包含通过专用压缩机为每个阴极提供供应。经由位于电池的下游的止回阀实现流速控制。
压缩机的一种就输送到燃料电池系统的空气的性能和纯度方面进行优化的技术是离心式压缩机技术。然而，该技术具有一个必须考虑的关键点，该关键点是防止当压缩流速对于给定的压力水平过低时出现的泵送现象。
发明人已经寻求了向多个阴极供应的解决办法，该解决办法使得可以限制部件的数量，并且能够针对每个阴极进行优化。
发明内容
发明目的
本发明旨在提供用于燃料电池系统的阴极的供应设备。
本发明尤其旨在在至少一个实施例中提供供应设备，使得可以与现有技术相比较限制使用的部件的数量。
本发明还旨在在本发明的至少一个实施例中提供可靠的并且可控制的供应设备。
本发明还旨在在本发明的至少一个实施例中提供防止泵送现象的供应设备。
发明的描述
为此，本发明涉及用于向燃料电池系统的多个阴极供应压缩空气的设备，其特征在于，包括：
机动压缩机，被配置为向所有阴极提供压缩空气的源；
导管组，被配置为将压缩空气引导至每个阴极；
对于每个阴极，该阴极的上游或下游的比例阀被配置为调节经过该阴极的压缩空气的流速；
防泵送保护装置，被配置为允许压缩空气离开压缩机的最小流速的流动，以及
控制设备，被配置为控制压缩机的速度以及每个比例阀和/或防泵送保护装置的运行的打开或关闭，
并且，至少一个比例阀包括最小通道部分，最小通道部分被配置为当该比例阀在关闭位置时允许压缩空气的最小流速的通过，每个最小通道部分形成防泵送保护装置。
因此，依照本发明的供应设备使得可以通过机动压缩机向所有阴极进行公共供应。然而，对每个阴极的供应可以通过每个阴极的上游或下游的比例阀来单独管理。依照本发明的供应设备可以将压缩空气供应到从两个到几十个、优选地大约十个阴极的多个阴极。
比例阀可以布置在阴极的上游或下游，该比例阀为该阴极调节压缩空气的供给。比例阀优选地布置在上游，因为压缩空气在阴极的上游是干燥的，这使得在压缩空气的供给的调节中可以更快速并且线性更好。
防泵送保护装置使得可以避免压缩机损坏，尤其是当阴极对压缩空气具有低需求时。事实上，如果最小流速没有在压缩机的下游流动，则压缩机的泵送可能导致压缩机的叶片断裂。
尤其是至少通过一个或多个比例阀来确保防泵送保护。包括最小通道部分的一个或多个比例阀组成防泵送保护装置。比例阀确保在供应设备中有足够的渗透性并且确保最小流速，而与阴极对压缩空气的流速需求无关。
所有的比例阀优选地具有最小通道部分。
依照本发明，防泵送保护装置有利地包括导管和旁通阀，导管用于绕过所有阴极，旁通阀被配置为允许无压缩空气、压缩空气中的一些或者所有压缩空气在旁通导管中流动，并且，控制设备被配置为控制旁通阀的打开或关闭。
根据本发明的这一方面，旁通回路还使得可以防止压缩机的泵送：旁通阀允许最小流速在旁通导管中通过，尤其是当阴极对压缩空气具有低需求时。
依照本发明的供应设备有利地包括用于测量压缩空气离开压缩机的压力的装置，并且，控制设备被配置为根据来自用于测量压缩空气离开压缩机的压力的装置的数据来控制压缩机的速度以及每个比例阀和防泵送保护装置的打开或关闭。
特别地，压力测量使得能够预测可能的泵送。
依照本发明的供应设备有利地包括用于测量离开压缩机的压缩空气的温度的装置，并且，控制设备被配置为根据来自用于测量离开压缩机的压缩空气的温度的装置的数据来控制压缩机的速度以及每个比例阀和防泵送保护装置的打开或关闭。
特别地，压力和温度的测量可以使得能够计算压缩空气离开压缩机的流速。
依照本发明的供应设备有利地包括用于测量压缩空气离开压缩机的流速的装置，并且，控制设备被配置为根据来自用于测量压缩空气离开压缩机的流速的装置的数据来控制压缩机的速度以及每个比例阀和防泵送保护装置的打开或关闭。
根据本发明的这些方面，压缩空气的压力、温度和/或流速的测量使得能够根据离开压缩机的压缩空气的物理状态来调节比例阀、旁通阀(如果存在的话)以及压缩机的速度的控制。这些物理参数中的一个或多个的测量还使得能够检测在操作中的异常或者阻止供应设备的故障的发生。
依照本发明，控制设备有利地被配置为根据由燃料电池系统提供的电力来控制压缩机的速度以及每个比例阀和防泵送保护装置的打开或关闭。
根据本发明的这个方面，在调节压缩机的速度以及控制比例阀和防泵送保护装置时，考虑了燃料电池系统需要的电力。对电力的这种考虑可以是总体的(在整个燃料电池系统上)和/或根据燃料电池是独立的，以便独立地管理对每个阴极的压缩空气供应。
依照本发明，控制设备有利地由燃料电池系统中的至少一个燃料电池来供应电力。
根据本发明的这个方面，控制设备被集成在燃料电池系统内，并且不需要使用外部电力供应。
依照本发明，供应设备有利地包括布置在压缩机的下游且阴极的上游的至少一个热交换器，至少一个热交换器被配置为冷却压缩空气。
根据本发明的这个方面，热交换器使得能够调节压缩空气的温度。与现有技术相比，热交换器使得能够同时冷却用于所有阴极的压缩空气，这简化了实施并且确保进入每个阴极的压缩气体的温度更均匀。
依照本发明的供应设备有利地包括出口涡轮机，出口涡轮机被布置在阴极的下游并且被配置为调节阴极的下游的压缩空气的压力。
根据本发明的这个方面，出口涡轮机使得能够控制阴极的下游的压力，尤其是控制离开阴极的背压。涡轮机是例如具有可变喷射横截面的涡轮机，或者具有固定喷射横截面的涡轮机，当背压太大时固定喷射截面与涡轮机开口的旁通阀相关联。
本发明还涉及包括多个燃料电池的燃料电池系统，每个燃料电池包括被配置为接收压缩空气的阴极，其特征在于，燃料电池系统包括供应设备，供应设备依照本发明被配置为将压缩空气供应到所述燃料电池系统中的至少两个阴极。
本发明还涉及以上面或下面提及的特征中的所有或一些的组合为特点的供应设备和燃料电池系统。
附图说明
本发明的其它目的、特征以及优点在阅读以下仅以非限制性方式给出且参考附图的描述后将变得显而易见，其中：
图1是根据本发明的第一实施例的供应设备的示意图。
图2是根据本发明的第二实施例的供应设备的示意图。
图3是根据本发明的第三实施例的供应设备的示意图。
图4是根据本发明的第四实施例的供应设备的示意图。
具体实施方式
在附图中，出于说明和清楚的目的，没有严格遵守尺寸和比例。
此外，在所有附图中，相同、相似或者类似的元件由相同的附图标记表示。
图1至图4分别示意性地示出了根据本发明的第一实施例、本发明的第二实施例、本发明的第三实施例和本发明的第四实施例的供应设备10。
供应设备10被配置为向燃料电池系统的多个阴极100a、100b、100c以及100d供应压缩空气，这里仅示出了燃料电池系统的多个阴极中的四个。在实践中，可以向几十个阴极供应空气，优选地，大约十个阴极。
为此，供应设备10包括由发动机14驱动的压缩机12，发动机14的速度由发动机控制器16控制。压缩机12可以形成机动涡轮压缩机的一部分，并且因此与涡轮机18相关联，涡轮机18旨在例如帮助发动机14通过空气源的膨胀来回收能量。特别地，空气源可以是如下所述的供应设备10的出口。
压缩机12使得可以向阴极100a、阴极100b、阴极100c以及阴极100d提供燃料电池系统的燃料电池的运行所需的压缩空气。因此，压缩空气被分配到阴极100a、阴极100b、阴极100c以及阴极100d中的每一个。压缩空气可以由布置在压缩机的下游和阴极的上游的一个或多个热交换器19冷却。
供应设备10针对每个阴极包括比例阀，比例阀被配置为调节通过所述阴极的压缩空气的流速。
在第一实施例和第三实施例中，参考图1和图3，比例阀20a、比例阀20b、比例阀20c以及比例阀20d被设置在阴极的上游。
在第二实施例和第四实施例中，参考图2和图4，比例阀22a、比例阀22b、比例阀22c以及比例阀22d被设置在阴极的下游。
在四个实施例中，比例阀由控制设备24控制。控制设备24从传感器26接收数据，传感器26被设置在压缩机12的出口处并且被配置为测量离开压缩机12的压缩空气的压力、温度和/或流速。
根据从传感器26接收的数据和燃料电池系统的燃料电池的电力要求，控制设备24凭借比例阀调节经过每个阴极的压缩空气的流速。控制设备24还被配置为通过向发动机14的控制器16发送命令来控制压缩机12的速度。
在阴极的出口处，出口涡轮机28使得可以调节压缩空气的压力，特别是调节背压现象。在优选实施例中，如图2和图4显示，涡轮机28和协助发动机14的涡轮机18是同一个涡轮机，在离开阴极的压缩空气中的残余能量中的一些因此被回收，以协助推动压缩机12的发动机14，并因此减少发动机14的电力的消耗量。
供应设备10还包括防泵送保护装置，防泵送保护装置确保压缩空气离开压缩机的最小流速的流动。
在所有实施例中，防泵送保护装置集成在比例阀中，每个比例阀包括最小通道部分34a、34b、34c以及34d，最小通道部分34a、34b、34c以及34d被配置为当所述比例阀在关闭位置时允许压缩空气的最小流速通过。对于具有最小通道部分的每个比例阀，将最小流速作为一个整体使得可以确保压缩机12下游的最小流速，以避免泵送。根据实施例，比例阀中的一个或一些或全部可以包括最小通道部分，这取决于所需的最小空气流速。
在第一实施例和第四实施例中，参考图1和图4，防泵送保护装置还包括用于绕过所有阴极的导管30，导管30包括被配置为允许无压缩空气、压缩空气中的一些或者所有压缩空气在旁通导管30中流动的旁通阀32。旁通阀32的打开或关闭由控制设备24控制，以确保最小流速的流动，从而避免压缩机的泵送。
在第二实施例中，参考图2，防泵送保护装置仅集成在比例阀22a、比例阀22b、比例阀22c以及比例阀22d中，比例阀22a、22b、22c、22d各自包括最小通道部分34a、34b、34c、34d，最小通道部分34a、34b、34c、34d被配置为当所述比例阀22a、22b、22c、22d在关闭位置时允许压缩空气的最小流速通过。
在第三实施例中，参考图3，防泵送保护装置仅集成在比例阀20a、比例阀20b、比例阀20c以及比例阀20d中，比例阀20a、20b、20c、20d各自包括最小通道部分34a、34b、34c、34d，最小通道部分34a、34b、34c、34d被配置为当所述比例阀20a、20b、20c、20d在关闭位置时允许压缩空气的最小流速通过。
本发明不限于所描述的实施例。特别地，在所示的不同实施例中，涡轮机18和涡轮机28可以是同一个涡轮机或者两个不同的涡轮机。

Claims (10)

1.一种用于向燃料电池系统的多个阴极(100a-100d)供应压缩空气的设备，其特征在于，所述设备包括：
机动压缩机(12)，被配置为向所有阴极(100a-100d)提供压缩空气的源；
导管组，被配置为将所述压缩空气引导至每个阴极(100a-100d)；
对于每个阴极(100a-100d)，所述阴极(100a-100d)的上游或下游的比例阀(20a-20d；22a-22d)被配置为调节经过所述阴极(100a-100d)的压缩空气的流速；
防泵送保护装置(30、32；34a-34d)，被配置为允许压缩空气离开所述压缩机(12)的最小流速的流动，
控制设备(24)，被配置为控制所述压缩机(12)的速度以及每个比例阀(20a-20d；22a-22d)和/或所述防泵送保护装置(30、32；34a-34d)的运行的打开或关闭，
并且，至少一个比例阀(22a-22d)包括最小通道部分(34a-34d)，所述最小通道部分(34a-34d)被配置为当所述比例阀(22-22d)在关闭位置时允许压缩空气的最小流速的通过，每个最小通道部分形成防泵送保护装置。
2.根据权利要求1所述的供应设备，其特征在于，所述防泵送保护装置包括导管(30)和旁通阀(32)，所述导管(30)用于绕过所有阴极，所述旁通阀(32)被配置为允许无压缩空气、压缩空气中的一些或者所有压缩空气在旁通导管(30)中流动，并且，所述控制设备(24)被配置为控制所述旁通阀(32)的打开或关闭。
3.根据权利要求1至2中任一项所述的供应设备，其特征在于，所述供应设备包括用于测量所述压缩空气离开所述压缩机(12)的压力的装置(26)，并且，所述控制设备(24)被配置为根据来自用于测量所述压缩空气离开所述压缩机的压力的装置(26)的数据来控制所述压缩机(12)的速度以及每个比例阀(20a-20d；22a-22d)和所述防泵送保护装置(30，32；34a-34d)的打开或关闭。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的供应设备，其特征在于，所述供应设备包括用于测量离开所述压缩机(12)的所述压缩空气的温度的装置(26)，并且，所述控制设备(24)被配置为根据来自用于测量离开所述压缩机的所述压缩空气的温度的装置(26)的数据来控制所述压缩机(12)的速度以及每个比例阀(20a-20d；22a-22d)和所述防泵送保护装置(30，32；34a-34d)的打开或关闭。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的供应设备，其特征在于，所述供应设备包括用于测量所述压缩空气离开所述压缩机(12)的流速的装置(26)，并且，所述控制设备(24)被配置为根据来自用于测量所述压缩空气离开所述压缩机的流速的装置(26)的数据来控制所述压缩机(12)的速度以及每个比例阀(20a-20d；22a-22d)和所述防泵送保护装置(30，32；34a-34d)的打开或关闭。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的供应设备，其特征在于，所述控制设备(24)被配置为根据由所述燃料电池系统提供的电力来控制所述压缩机(12)的速度以及每个比例阀(20a-20d；22a-22d)和所述防泵送保护装置(30，32；34a-34d)的打开或关闭。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的供应设备，其特征在于，所述控制设备(24)由所述燃料电池系统中的至少一个燃料电池来供应电力。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的供应设备，其特征在于，所述供应设备包括布置在所述压缩机(12)的下游且所述阴极(100a-100d)的上游的至少一个热交换器(19)，所述至少一个热交换器(19)被配置为冷却所述压缩空气。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的供应设备，其特征在于，所述供应设备包括输出涡轮机(28)，所述输出涡轮机(28)被布置在所述阴极(100a-100d)的下游并且被配置为调节所述阴极(100a-100d)的下游的压缩空气的压力。
10.一种包括多个燃料电池的燃料电池系统，每个燃料电池包括被配置为接收压缩空气的阴极(100a-100d)，其特征在于，所述燃料电池系统包括根据权利要求1至9中任一项所述的供应设备(10)，所述供应设备(10)被配置为将压缩空气供应到所述燃料电池系统中的至少两个阴极(100a-100d)。
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