CN117256061A - 空气供给设备、燃料电池系统和车辆 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于燃料电池系统的具有两级压缩的空气供给设备(28)。本发明的特征在于，为燃料电池堆(2、3)中的每个都设置有涡轮压缩机(15、16)，以便对以并联方式电连接的燃料电池堆(2、3)进行供给，涡轮压缩机与用于相应的燃料电池堆(2、3)的排气涡轮(17、18)机械联接，其中，沿经压缩的空气的流动方向在相应的涡轮压缩机(15、16)上游设置有至少一个电驱动的流动式压气机(28)，该流动式压气机以并行方式分别向涡轮压缩机(15、16)中的至少两个供给空气。具有至少两个燃料电池堆(2、3)的燃料电池系统包括这种空气供给设备并且可以例如被用在车辆(1)、特别是商用车辆中。

Description

空气供给设备、燃料电池系统和车辆

技术领域

本发明涉及一种用于燃料电池系统的具有两级压缩的空气供给设备。本发明还涉及一种具有这种空气供给设备的燃料电池系统以及一种具有这种燃料电池系统的车辆。

背景技术

基本由现有技术已知的是，用于产生电功率的燃料电池系统例如被用于固定应用或特别是用作针对车辆的电驱动功率。在此经常使用的是PEM燃料电池，其在阴极侧被供给作为氧气供应方的空气。在此，为了供给空气通常使用单级的流动式压气机。特别常见的是，这些流动式压气机与排气涡轮和电机相连，并形成所谓的电动涡轮增压器或电机辅助的涡轮增压器。因此，在相应的燃料电池的排出空气中所含的能量至少可以部分回收并用于供给空气。

这类结构在其工作特性曲线非常接近喘振极限时总是出现问题。为了确保燃料电池在部分负荷运行时的可靠的供给并且不超过喘振极限，因此典型地存在所谓的环绕流动阀(其也称为废气门阀)。

在实践中，这一方面导致在自由选择工作点方面受到限制，而另一方面，如果已经压缩的送入空气流经了环绕流动阀，则会导致功率损失，这是因为只有一部分在压缩时增加的能量可以在排气涡轮中被回收。

为了解决这个问题，由WO 02/086997A2已知一种燃料电池空气供给装置，它设计为两级系统。因此可以与喘振极限无关地实现在体积流量和压力方面的高的可变性。在此，该结构被设计成使得第一级通过电驱动的流动式压气机形成，而第二压缩级通过涡轮压缩机/涡轮压气机形成。该涡轮压缩机经由轴与排气涡轮直接联接，并因此作为自由转子实现。排气涡轮在此具有可变的涡轮导向叶栅。在该文献所述的结构中虽然仍设置有环绕流动阀，但原则上在此是不需要的。

现在，燃料电池系统越来越多地被用于提供相对大的功率，例如用于对诸如公共汽车、载货汽车等商用车辆进行驱动。在此，为了实现功率的简单且必要时也能根据商用车辆的不同尺寸进行扩展的匹配，对燃料电池系统之内的多个燃料电池堆进行电气组合。典型的结构例如设置两个在这种结构中电并联的燃料电池堆。由于两个燃料电池堆在燃料供给方面和空气供给方面都需要彼此独立控制，因此在由一般性的现有技术已知的结构中，典型地相互并联地设置有两个空气供给系统。这通常在开头所述的意义中涉及两个分开的电动涡轮增压器，它们又需要两个环绕流动阀、两个变换器、两个电机等。

发明内容

因此本发明的目的是，相应简化这种在原理上由现有技术已知的结构，并且所要实现的在燃料电池系统供给空气方面的可变性得到改进。

根据本发明，该目的通过具有权利要求1中并且在此特别是在权利要求1的特征部分中所述特征的用于燃料电池系统的空气供给设备来实现。此外，该目的通过具有这种空气供给设备的燃料电池系统来实现。该目的也可以通过具有这种燃料电池系统的车辆来实现。还由从属权利要求中得到空气供给设备和车辆的有利的设计方案和改进方案。

为了对电并联运行的燃料电池堆进行供给，根据本发明的空气供给设备为燃料电池堆中的每个都设置有涡轮压缩机，该涡轮压缩机与用于相应的燃料电池堆的排气涡轮机械联接。在此，沿经压缩的空气的流动方向在涡轮压缩机上游设置有至少一个电驱动的流动式压气机，该流动式压气机以并行方式分别向涡轮压缩机中的至少两个供给空气。

在此，分别作为自由转子被设计成与排气涡轮直接机械连接的涡轮压缩机因此形成两级的空气供给设备的第二压缩机级。涡轮压缩机分别被配设给在整个系统中并联运行且典型地电并联的燃料电池堆中的一个。然而，原则上也可以考虑电串联。

现在，针对涡轮压缩机中的分别至少两个，通过被电驱动的流动式压气机形成空气供给设备中的第一级压缩。因此，在具有两个燃料电池堆的典型的结构中，作为第一压缩级的电驱动的流动式压气机对作为第二压缩级的两个涡轮压缩机进行供给，这两个涡轮压缩机自身又分别对与它们配属的燃料电池堆进行供给。然后，该燃料电池堆的阴极侧的排出空气经由与相应的涡轮压缩机相连的排气涡轮到达环境中，使得排出空气中的剩余能量经由排气涡轮驱动用于相应的燃料电池堆的第二压缩级。于是，两个涡轮压缩机具有一个共用的流动式压气机，该流动式压气机在低压侧为涡轮压缩机供给空气，并因此针对两个涡轮压缩机共同形成第一压缩级。

现在，该结构能够实现利用两级压缩的优点，从而在选择运行点时具有高自由度，而不会有超过喘振极限的风险。此外，该结构是紧凑且高效的，这是因为在作为第二级的两个涡轮压缩机的区域中在简单且高效的自由转子上该结构没有安装电机。作为第一压缩级，该结构使用了同样简单的流动式压气机，其例如可以具有比两个涡轮压缩机更大的压缩机轮圆周，以便因此在转速适当且驱动电机相应简单和成本低廉的情况下提供所需的空气量。

于是，针对两个并联的燃料电池堆，该结构整体上只需要具有相应变换器的唯一一个电机，并且由于两级压缩特别可以省去环绕流动阀。这就导致在节省部件方面、特别是在节省电气部件及其操控方面具有相当大的成本和结构空间优势。

根据本发明的空气供给设备的一个极为有利的改进方案，排气涡轮中的至少一个具有可变的涡轮导向叶栅。优选地，根据一个有利的改进方案，所有的排气涡轮都具有可变的涡轮导向叶栅。经由排气涡轮区域中的这种可变的涡轮导向叶栅，可以相应地改变经由来自燃料电池的排出空气在相应的排气涡轮中提供的能量，以便因此实现在第二压缩级中驱动涡轮压缩机时的高可变性。由此，两个并联运行的燃料电池堆可以在很大程度上相互独立地操控由其供给的空气量。这就能够实现相应的燃料电池堆在其供给空气方面的非常有利的且在很大程度上与另一燃料电池堆无关的运行。结合用于阳极侧上的氢气的可简单操控的计量阀，因此使得燃料电池堆中的每个都可以与相应其他燃料电池堆无关地运行。

现在，另一非常重要的方面在于，至少一个可变的涡轮几何结构和流动式压气机的驱动电机经由共用的控制装置操控，以便因此也减少了在控制装置方面的耗费。该控制装置特别也可以操控相应的燃料电池堆的阳极侧上的氢气计量，以便由此可以独立地操控在至少两个并联运行的燃料电池堆中所提供的电功率。

如前所述，在此根据一个特别有利的设计方案可以规定，该结构具有正好一个流动式压气机和正好两个涡轮压缩机，并被设置成用于向两个并联运行的燃料电池堆供给空气。

此外，另一个有利的设计方案规定，沿流动方向在涡轮压缩机下游分别布置有增压空气冷却器，以便因此对在两级压缩过程中压缩之后的热的且通常是干燥的增压空气进行相应冷却以及在必要时经由在增压空气冷却器之后的或与增压空气冷却器相组合的加湿器进行加湿。

现在，根据本发明的燃料电池系统可以包括至少两个燃料电池堆和上述类型的空气供给设备。由此可以理想地利用在空气供给设备方面描述的优点以及经由空气供给设备所提供的对燃料电池系统内部的至少两个燃料电池堆进行高效运行和独立操控的可能性。

相应地，根据本发明的车辆包括这种类型的燃料电池系统，该燃料电池系统具有至少两个、优选正好两个燃料电池堆。该车辆在此可以设计为商用车辆，例如设计为载货汽车或公共汽车。

附图说明

根据本发明的空气供给设备以及根据本发明的燃料电池系统和/或车辆的另外的有利设计方案也由下面参照视图详细说明的实施例得出。其中：

图1示出根据现有技术的具有两个燃料电池堆和两个空气供给系统的燃料电池系统的视图；以及

图2以根据本发明的可行实施方式示出与图1类似的具有空气供给设备的结构。

具体实施方式

在图1的视图中，以非常示意性的方式示出车辆1、例如商用车辆。该车辆的电驱动功率或其至少一部分电驱动功率应从两个燃料电池堆2、3中提取。为此，燃料电池堆2、3并联运行，且特别是以并联方式电连接。该结构具有共用的氢气源4，该氢气源例如可以设计为压缩气体储存器、低温储存器或类似储存器。在氢气源4上经由两个分开的压力调节和计量阀5、6将氢气导引到两个燃料电池堆2、3的阳极腔7、8中。在这里示出的实施例中，未消耗的氢气与废气一起到达环境中。

这只是示意图。对于本领域的技术人员来说，显然可以在此处布置其他部件、例如阳极回路，或者可以采取措施将废气例如输送给排出空气，并进行相应稀释。然而，由于阳极侧对本发明来说不重要，因此不对其进一步探讨。

为了向两个燃料电池堆2、3的两个阴极腔9、10供给空气，在根据现有技术的这种结构中分别设置有电动涡轮增压器11、12。它们两个具有驱动电机13、14以及涡轮压缩机15、16。此外，与这两个部件一起在共用的轴上还分别布置有电动涡轮增压器的排气涡轮17、18。在通向相应的燃料电池堆2、3的送入空气管路19、20中还分别设置有增压空气冷却器21、22。通向两个燃料电池堆2、3的送入空气管路19、20还经由所谓的环绕流动阀23、24——其也称为废气门阀——与燃料电池堆2、3的相应的排气管路25、26连接，以便当相应的燃料电池堆2、3以部分负荷模式运行时在需要时可以在涡轮压缩机17、18之后将相应的被如此压缩的空气吹出。这对于安全地防止在某些运行点中超过喘振极限是必要的。这种结构能够实现两个燃料电池堆2、3相互独立地被供给空气，但所需的构件及其操控相对复杂。

现在，在图2的视图中示出一种具有空气供给设备27的结构，该空气供给设备在此提供了决定性的优势。在此，与图1中的视图类似地示出两个燃料电池堆2、3及其输入管路和输出管路以及两个增压空气冷却器21、22。对该结构和对燃料电池系统的在此也仅示范性且示意性示出的整个阳极侧不再进行进一步探讨。

空气供给设备27现在用于对两个燃料电池堆2、3进行相互独立的空气供给，并设计为两级的空气供给设备27。用于两个燃料电池堆2、3的第一级共同地由具有驱动电机29的流动式压气机28形成。该驱动电机经由共用的控制装置30以及后面还将提到的另外的构件相应操控。然后，流动式压气机28的气流被分流到两个并联的吸入管路31和32上，并向两个涡轮压缩机供给空气。这两个涡轮压缩机在此仍然也用类似于图1中的视图那样用附图标记15、16进行标注。这两个涡轮压缩机15、16现在形成第二压缩级，被第二压缩级压缩的空气作为氧气供应方经由增压空气冷却器21、22通过送入空气管路19、20被送到两个燃料电池堆2、3的阴极腔9、10中。

与图1中的根据现有技术的结构相比，涡轮压缩机构成为所谓的自由转子，它们与其各自的排气涡轮17、18布置在一个共用轴上。然而，在不使用根据现有技术的两个电动涡轮增压器12、13的电机的情况下，这种结构可以更简单且更高效地实现。作为迄今在图1范围内描述的结构的补充，两个排气涡轮17、18现在分别具有可变的涡轮导向叶栅33、34。在此，经由共用的控制装置30设置这些涡轮导向叶栅33、34的相互独立的操控。由此可以实现，在经由流动式压气机28的共同的第一级压缩的情况下，经由两个涡轮压缩机15、16相互独立地相应调节被输送给相应的燃料电池堆2、3或其阴极腔9、10的空气量。与图1的现有技术中的结构相比，尽管在设计结构上更简单且部件更少，但两个燃料电池堆2、3在其供给空气方面仍能相互独立地操控。因此，与计量阀5、6的非常简单且独立实现的操控一起，使得两个燃料电池堆2、3的运行在很大程度上能相互独立进行。通过两级特性还可以省去环绕流动阀23、24，当然，如果例如出于其他原因需要环绕流动阀作为系统旁路或存在类似情况，原则上也可以设置环绕流动阀。

Claims (9)

1.一种用于燃料电池系统的具有两级压缩的空气供给设备(27)，

其特征在于，

为燃料电池堆(2、3)中的每个都设置有涡轮压缩机(15、16)，以便对以并联方式电连接的燃料电池堆(2、3)进行供给，涡轮压缩机与用于相应的燃料电池堆(2、3)的排气涡轮(17、18)机械联接，其中，沿经压缩的空气的流动方向在相应的涡轮压缩机(15、16)上游设置有至少一个电驱动的流动式压气机(28)，所述流动式压气机以并行方式分别向涡轮压缩机(15、16)中的至少两个供给空气。

2.根据权利要求1所述的空气供给设备(27)，其特征在于，排气涡轮(17、18)中的至少一个具有可变的涡轮导向叶栅(33、34)。

3.根据权利要求1或2所述的空气供给设备(27)，其特征在于，排气涡轮(17、18)中的每个具有可变的涡轮导向叶栅(33、34)。

4.根据权利要求1、2或3所述的空气供给设备(27)，其特征在于，至少一个可变的涡轮导向叶栅(33、34)和流动式压气机(27)的驱动电机(29)经由共用的控制装置(30)操控。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的空气供给设备(27)，其特征在于，设置有流动式压气机(28)和正好两个涡轮压缩机(15、16)。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的空气供给设备(27)，其特征在于，沿流动方向在相应的涡轮压缩机(15、16)下游分别布置有增压空气冷却器(21、22)。

7.一种燃料电池系统，其具有根据权利要求1至6中任一项所述的空气供给设备(28)和至少两个燃料电池堆(2、3)。

8.一种车辆(1)，其具有根据权利要求7所述的燃料电池系统。

9.根据权利要求8所述的车辆(1)，其特征在于，所述车辆设计为商用车辆。