CN117529834A - 用于调节燃料电池单元的阳极气体的气体管理装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于调节燃料电池单元的阳极气体的气体管理装置和方法。该装置包括流体箱和与所述流体箱流体连接的水分离器，其中排放阀布置在所述流体箱的上部区域和/或所述流体箱的上侧之上。通过这个排放阀在根据规定的运行中导离气体和液体、在此尤其水。通常进行到中央流出管路中的导离。
Description
技术领域
本发明涉及一种根据权利要求1的前序部分所述的用于调节燃料电池单元的阳极气体的气体管理装置且此外涉及一种根据权利要求9的前序部分所述的相关联的方法。
背景技术
在已知燃料电池单元中的化学反应中，富氢(H2-富集的)过程气体或过程流体通过供应空气中的氧而在化学上被转化，尤其是转化为水(H20)。贫H2的废气至少部分在回路中引导，且在重新导入燃料电池单元中之前，利用H2气体积聚到所需浓度。此外，副产品和杂质，尤其是水(H20)和氮(N2)，必须从燃料电池单元的废气中导离或者导出。
从现有技术中已知各种各样的装置和方法，以为了有效处理阳极气体，尤其是实现水分离和气体导出(扫气(或称为净化，即Purging))。如此，DE 10 2012 020 280.6A1公开了一种水分离单元，在该水分离单元中，出口阀布置在收集箱下方，其可一方面实现导离水而且也实现扫气，其中气体通过上升管路供应，该上升管路从下面伸入到收集箱的气体空间中，以便气体从上部气体空间向下导出。
然而已经证实为到目前为止没有得到充分解决的问题的是，当水分离器的收集箱中出现导致出口关闭和还有排放阀的冻结的结冰时，实施排水和气体导出(扫气)。这种结冰几乎只发生在燃料电池单元的运行停止状态中，这使得在启动发动机前进行必要的扫气变得困难或被阻止。
发明内容
因此，本发明的任务是提供一种装置和方法，由此即使在水分离器中结冰的情况下，也实现对阳极气体进行处理。
根据本发明，该任务通过具有权利要求1的特征部分的特征的气体管理装置来解决。此外，根据权利要求9的特征部分所述的方法也解决了该任务。根据本发明的装置和方法的有利的设计方案和改进方案从从属权利要求中产生。
在此，根据本发明的用于调节燃料电池单元的阳极气体的气体管理装置包括流体箱和水分离器，其中水分离器与流体箱流体连接和/或布置在其内部空间中。此外，供气管路引导到水分离器中，在供气管路中废气从燃料电池单元中引导出，且排气管路再次从水分离器中引导出来。此外，还设置有上升管路，该上升管路以其下端与内部空间的下部区域相连，即在那里从废气中分离出来的水首先汇集，和/或上升管路伸入内部空间中。上升管路以上端与排放阀相连。理想情况下，排放阀布置在流体箱的内部空间之外。
本发明的核心此时在于，排放阀布置在流体箱的上部区域中和/或在流体箱的上侧的上方，且此外，气体和液体，在此尤其是水，可以在根据规定的运行中通过同一个排放阀导离。导离通常发生到中央流出管路中，其中这应该理解为非限制性的，且本发明还包括在至少一个后续过程步骤中完全或部分使用流体，在此尤其是水。
通过将排放阀布置在流体箱的上部区域中和/或上侧上方可靠地防止，排放阀冻结。此外，除了改善经济性外通过只有一个用于气体和流体的排放阀一个很大的优点在于，减少安装结构空间和实现重量节省。
当前，术语上升管道和上升管路应该同义地使用。上升管路可以构造为容器壁的集成元件，其方式为，容器壁构成上升管路的壁面的一部分，且其中，其它管路壁的至少一部分伸入内部空间中或位于流体箱外部。上升管路的下端开口布置成邻近流体箱的内底部或距流体箱的内底部较小间距。此外，上升管路还可以构造为自由悬挂式管路，其自由下端位于流体箱的内底部上方较小间距处。在此，自由悬挂包括，在需要时设置具有至少一个容器壁的一个或多个支撑结构。
在改进变型方案中，上升管路中设置有至少一条旁通管路，流体箱的内部空间通过该旁通管路与上升管路流体连接，从而实现恒定的压力均衡。为了避免积聚在此有利的是，旁通管路布置在流体箱的上部区域中，该上部区域在根据规定运行中通常填充气体。作为非常有利且经济上有益的解决方案，旁通管路可以在内部空间和上升管路之间建立小孔或开口。
一种改进的变型方案是这样的，使得旁通管路设置有阀，即在旁通管路的管路路径中或邻近设置有阀。该阀尤其可以是被动式止回阀或过压阀。该阀在持续状态或在正常状态下打开。从(如尤其体积流量和/或内部压力的)在上升管路中的极限值或在上升管路与流体箱的内部空间之间的极限值差起，阀关闭，直到再次低于极限值或极限值差。
另一个改进的实施形式在于，在上升管路中或朝着上升管路在内部空间的上部区域中布置有紧急阀。此外，尤其在内部空间中的急剧压力增加的情况下，可以建立从流体箱的内部空间到上升管路中的附加的流体连接，通过该流体连接可以迅速导离气体和液体。例如，当下部的内部空间结冰且因此上升管路的下端关闭时，这是需要的。在一个有利的变型方案中，紧急阀是过压阀，其例如构造为预载式被动过压阀。
关于旁通管路和紧急阀的位置特别有利的是，旁通管路布置在紧急阀的上方流体箱的内部空间中。此外总体上同样有利的是，将紧急阀在流体箱的内部空间中布置得尽可能高。
一个有利的实施形式设置成，将紧急阀和/或旁通管路布置在水分离器的区域中或者甚至布置在水分离器的上方，从而确保在气体填充的容积中尽可能高的位置。如果水分离器和流体箱形成封闭的结构单元，则这种实施形式尤其合适。
在另一个变型方案中设置成，设置有至少一个另外的通气管路，通过该通气管路所述内部空间可以与排放阀流体连接。该另外的通气管路不具有至所述上升管路的直接的流体连接。排放阀在该情况下构造为多通阀。
上述变型方案的改进在于，构造为多通阀的排放阀在一阀位置中具有内部管路路径，在所述阀位置中可在流体箱的内部空间和上升管路之间建立流体连接。通过这个位置可以通过排放阀实现在上升管路和内部空间之间的压力均衡。
在一个实施形式中设置成，排放阀在一阀位置中具有这样的内部管路路径，在所述阀位置中在流体箱的内部空间和中央流出管路之间的管路连接可以在关闭上升管路的同时建立。这个阀位置实现：即使上升管路如有可能仍然填充了不应该导离的流体，或者即使上升管路结冰，那么也可以直接快速地对内部空间进行扫气。有利地，在这种实施形式中可以省去流体箱的内部空间中的旁通管路。此外，紧急阀也可以省去，因为在如下情况下它在运行启动时直到冰解冻是足够的，即，在进行纯气体导出(纯扫气)，而流体箱还在很大程度上填充有冰和水。
因此总体上也是经济上的优点的是，在上述所有实施形式和实施变型方案中没有为气体和/或水从阳极气体回路中的导离或导出设置带分别所属的管路的两个单独的阀。
根据本发明的用于运行燃料电池单元和从阳极气体回路中导出气体和/或液体的方法包括，气体和/或液体通过燃料电池单元下游的供气管路供应给水分离器，且经分离的液体，尤其是水(H2O)在流体箱中被导离。在该运行中包括以下步骤：
-通过排放阀至少部分排空流体箱；
-从阳极气体回路中至少部分地导出气体，并将纯气体(H2)导入阳极回路中。
在此，根据本发明的方法的核心在于，气体从阳极气体回路中的导出和/或液体从流体箱中的导出通过同一个排放阀进行。在此，排放阀布置在流体箱的上部区域中和/或在流体箱的上侧的上方。这意味着，流体(水或气体)为了从流体箱中导出可以被导引向上，排放阀也布置在那里。
一个较大的优点在于，在根据规定的运行中，阀处不直接存在任何液体，且在过程停止状态时，结冰不可能导致排放阀的冻结。此外，由于只有一个排放阀，过程引导被简化。
在一种改进的方法变型方案中，在排空步骤中气体将存在的液体在第一子步骤中向前压过排放阀。待导离的气体的部分然后在随后的第二子步骤中通过排放阀导出。
有利地，在根据本发明的方法中使用上述气体管理装置的一个实施形式或实施形式的组合来调节燃料电池单元的阳极气体。
在该方法的一个改进的实施形式中，设置有紧急排放步骤，在所述紧急排放步骤中，在内部空间的下部区域中的过度的压力增加和/或结冰的情况下，打开在内部空间的上部区域中的紧急阀，且存在的流体通过上升管路和排放阀从内部空间导离。通常情况下，导离在相对于排放阀下游布置的流出管路中进行。
该方法的进一步改进在于，当超过上升管路中如内部压力和/或体积流量的至少一个极限值时，旁通管路被关闭。有利地，针对这种关闭使用被动止回阀和/或过压阀。由此防止，在排水或扫气时发生到流体箱的内部空间中的过量的回流，从而缩短针对这些步骤(水的排空和气体的排空)的时间。
当前，如果没有进行另外的说明，流体应理解为气体或液体。此外，对于本领域技术人员来说容易理解的是，根据过程阶段和过程位置，“气体”具有不同的成分和浓度的气体含有物以及含水量。这些关系在现有技术中是众所周知的。因此，为简明起见，仅使用术语“气体”或“气体(复数)”，除非明确说明不同的含义，否则总是根据位置和根据过程步骤而应该理解为相应的气体或气体混合物。
在下面的附图说明中，不同附图中的相同部件总是设置有相同的参考符号，因此没有必要针对每个附图重新解释所有参考符号。
在本申请中，相对于空间位置的布置是重要的，因此“上”、“上面”、“上方”、“下”、“下面”或“下方”的说明是指根据重力的一般水平或竖直。此外，如果没有明确与此不同地阐述，根据本发明的装置的定向的说明应始终理解为在根据规定的运行中和/或根据规定的安装位置中产生的位置和定向。
附图说明
下面根据示意图对根据本发明的装置和方法示例性地描述。这些示意图非常简化，且尤其是出于清楚性原因，没有显示必要的和常用的元件，例如，控制/调节单元、电导线和数据导线、传感器(压力、填充位、温度等)、其它阀、气动元件等，其中这些应该强制性设置或者按照需要地设置。在此：
图1显示了作为现有技术的非常简化的过程流程图，
图2作为剖面图显示了根据本发明设计的气体管理装置，
图3显示了在第一阀位置的情况下在第一方法状态下的根据图1的气体管理装置，
图4显示了在第二阀位置的情况下在第二方法状态下的根据图1的气体管理装置，
图5显示了在根据图4的阀位置的情况下在另一方法状态下的根据图1的气体管理装置，
图6显示了带有排放阀的气体管理装置，该排放阀构造为多通阀，
图7显示了带有在第一阀位置中的排放阀的气体管理装置，该排放阀构造为另一多通阀，
图8显示了在另一阀位置中的根据图7的气体管理装置，
图9显示了在第三阀位置中的根据图7和图8的气体管理装置，以及
图10显示了具有旁通管路和紧急阀的备选的布置的气体管理装置。
具体实施方式
图1中高度简化地显示了燃料电池单元的过程流程。在图中左侧，阴极过程区段20在此应不进一步考虑。必要的氧气(02)通过空气过程区段30供应给在阴极侧上的燃料电池单元1，其中以下描述总体上指的是阳极气体侧上的气体过程。
过程气体从存储箱16通过管路17和混合器18(其例如可以构造为喷射混合器)通过管路19供应给燃料电池单元1。贫H2的气体通过管路20离开燃料电池单元1，并通过供气管路5供应给水分离器4。经除湿的气体通过排气管路6离开水分离器4。
在位于下游的支路处，部分流通过阀11取出(扫气)，并通过管路路径21导出。在混合器18中进行再次供应富含H2的气体，以设定所需的H2气体浓度。然后，如上所述，过程气体通过管路19重新导入燃料电池单元1。这种过程在许多实施方案中都是已知的，尤其是同样在如下过程中，其中H2并不是直接作为气体导入，而是作为一种合适的富含H2的流体导入。
在根据图2的剖面图中可以看到根据本发明的气体管理装置1的基本结构。水分离器4布置在流体箱2上。它可以设计成旋风分离器、冲击分离器或设计成其它已知的形式。气体通过供气管路5导入水分离器4中，并经除湿地通过排气管路6再次离开水分离器4。分离出来的水滴进或流进流体箱2的内部空间3中，并聚集在下部区域3.1中。如图2中所示，流体箱2中大约有三分之一填充了水，这在下部区域3.1中以阴影面表示。在内部空间3内伸延有上升管路7，该上升管路7被构造为竖直通道。上升管路7的下端7.1向流体箱2的内底部敞开。上升管路7的上端7.2与排放阀8相连，排放阀8在下游通入导离部9。在示出的示例中，排放阀被构造为简单的截止阀。
作为改进，在示出的示例中，在流体箱2的上侧2.1下方设置有小的旁通管路12作为小孔，通过其在内部空间3和上升管道7之间实现恒定的压力均衡。可选的紧急阀14与图5关联地详细阐述。总的来说，图1显示了其中燃料电池单元1工作和收集分离出来的水的运行状态。在这种情况下，没有发生扫气(贫H2气体的排放)，且也没有发生液态水的导离，因为排放阀8处于关闭位置中。
图3中显示了随后的导出步骤，且更确切地说作为流体的导出的第一子步骤的排水。排放阀8处于通过导引，因此由于在一方面流体箱2内部压力和另一方面导离部9之间的压力降，上升管路7中的水(阴影面)被压入并导引通过排放阀8。在流体箱2的内部中所需的过压以已知的方式通过供应富含H2的流体来实现，例如在混合器18处(图1)。分离过程在此不一定会中断，如通过内部空间3中的液滴所示。
图4中显示了导出的第二子步骤，且更确切地说排水之后的气体导出(扫气)。分离出来的水在此通过排放阀8和导离部9全部排出，从而气体、尤其是贫H2的气体的份额随后排出，直至达到期望的扫气率(H2浓度)。旁通管路12作为上升管路7和内部空间3之间的永久开口在这里没有问题，且也不是缺点，尤其当旁通管路12的横截面比主要流动路径的横截面显著更小时。
图5中所示的方法情况示出非罕见的情形：内部空间3的下部区域3.1中已经形成冰(通过虚线填充面表示)，因此上升管道7的下端7.1处的靠近底部的入口也被关闭。水和气体不再能够通过压力升高和打开排放阀8从内部空间3中导出。在这种情况下，预载有弹性件的紧急阀14沿着压力下降的方向打开。紧急阀14构造为已知的过压阀且导引到上升管路7的上部区域中。如利用箭头所示，所有流体可以通过该另外的旁路从内部空间3进入上升管路7中，且再通过排放阀8导离。由于结冰尤其发生在运行停止状态时，因此当燃料电池单元1处于运行中时，结冰部随后在短时间内融化。
图6中显示了关于前述示例的备选或补充的实施形式。在这种情况下，流体箱2的上侧2.1上在具有至内部空间3的进入部的情况下设置有另外的通气管路13，而排放阀8则被实施为多通阀。在第一个阀位置中，通过内部的管路路径实现与上升管路7的压力平衡，其中阻断了至导离部9的路径。在排放阀8的第二个阀位置中(图6中未接通的)，另外的通气管路13关闭，且至导离部9的路径打开。在这种实施形式下，通气管路13与阀8的内部的管路路径一起形成类似于上述的旁通管路12的旁通管路。
在图7、图8和图9中所示的排放阀8的作为3/3多通阀的实施形式中，另外的阀位置是可行的。根据图7的示出的第一阀位置相应于根据图6的同样的阀位置。在这种情况下，在不导出流体的情况下在内部空间3和上升管道7之间产生压力均衡。
在第二个阀位置中，在示图中的左侧第一个且在图8中示出，上升管路7关闭，且内部空间3通过另外的通气管路13至导离部9的连接打开。这允许非常快速和精确能计量地(或称为能精确控制地，即dosierbar)气体导出(扫气)。
在第三个阀位置中，右侧第一个阀位置，关闭另一通气管路13，且打开从上升管路7到导离部9的连接。这在图9中示出。由此实现流体箱2的快速且精确地能计量的排水。
最后，图10显示了紧急阀14和旁通管路12在水分离器4的区域中或在水分离器4的高度上的特殊安装位置。在未示出的另一实施形式中，紧急阀14和/或旁通管路12布置在水分离器4的上方。
对于本领域技术人员来说直接明显的是，上述实施形式可以附加使用或组合使用。
附图标记列表
1气体管理装置
2流体箱
2.1上侧
2.2下侧
3内部空间
3.1下部区域
3.2上部区域
4水分离器
5供气管路
6排气管路
7上升管路
7.1下端
7.2上端
8排放阀
9导离部(中央)
10阀(水出口阀)
11阀(扫气阀)
12旁通管路
13通气管路
14紧急阀
15过程气体箱
16存储箱
17管路
18混合器
19管路
20阴极过程区段
30空气过程区段。
Claims (14)
1.一种用于调节燃料电池单元(1)的阳极气体的气体管理装置，包括
流体箱(2)，其在根据规定的安装位置中具有上侧(2.1)和下侧(2.2)，以及内部空间(3)，
水分离器(4)，所述水分离器与所述流体箱(2)流体连接和/或布置在其内部空间(3)中，
到所述水分离器(4)中的供气管路(5)，来自所述水分离器(4)的排气管路(6)，
用于来自流体箱(3)的水的上升管路(7)，其中所述上升管路(7)以其下端(7.1)与所述流体箱(3)的内部空间(3.1)的下部区域连接，和/或伸入其中，且以上端(7.2)与排放阀(8)连接，尤其是与布置在所述内部空间(3)之外的排放阀(8)连接，
其特征在于，
所述排放阀(8)布置在所述流体箱的上部区域(3.2)和/或所述流体箱的上侧(2.1)之上，其中，所述排放阀(8)可在出口侧与中央流出管路(9)连接，
且其中，气体和/或液体，尤其是水，能够在根据规定的运行中通过同一排放阀(8)导离，尤其是能够导引到中央流出管路(9)中。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述上升管路(7)至少通过旁通管路(12)与所述流体箱的内部空间(3)流体连接，其中所述旁通管路尤其布置在所述流体箱(2)的上部区域中，且其中所述旁通管路(12)尤其是在所述上升管路中的孔和/或开口。
3.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，在所述上升管路(7)中在所述内部空间(3)的上部区域中布置有紧急阀(14)，通过所述紧急阀(14)可以建立从所述流体箱(2)的内部空间(3)到所述上升管路(7)中的流体连接，其中所述紧急阀(14)有利地是过压阀，尤其是预载的被动过压阀。
4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述旁通管路(12)布置在内部空间中且在所述紧急阀(14)的上方。
5.根据权利要求3或4中任一项所述的装置，其特征在于，所述旁通管路(12)设有阀，尤其是被动式止回阀和/或过压阀，该阀在持续状态下打开，并从在所述上升管路(7)中的体积流量和/或内部压力的极限值起关闭所述旁通管路(12)。
6.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，设置有至少一个另外的通气管路(13)，通过该通气管路(13)所述内部空间(3)可以与所述排放阀(8)流体连接，其中，所述另外的通气管路(13)不具有至所述上升管路(7)的直接的流体连接，且其中，所述排放阀(13)是多通阀。
7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述排放阀(8)在一阀位置中具有内部管路路径，在所述阀位置中可在所述流体箱(2)的内部空间(3)和所述上升管路(7)之间建立流体连接。
8.根据权利要求5或6所述的装置，其特征在于，所述排放阀(8)在一阀位置中具有内部管路路径，在所述阀位置中在所述流体箱(2)的内部空间(3)和所述中央流出管路(9)之间的管路连接可以在关闭所述上升管路(7)(其内部空间)的同时建立。
9.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，针对气体和/或水的导离没有设置至少两个带有从属的管路的单独的阀(10、11)。
10.一种用于运行燃料电池单元和从阳极气体回路中导出气体和/或液体的方法，其中，所述气体和/或液体通过燃料电池单元(1)下游的供气管路(5)供应给水分离器(4)，且经分离的液体，尤其是水(H20)在流体箱(2)中被导离，包括以下步骤：
-通过排放阀(8)至少部分排空流体箱(2)，
-从阳极气体回路中至少部分地导出气体，并将纯气体(H2)导入阳极回路，其特征在于，
气体从所述阳极气体回路中的导出和/或液体从所述流体箱中的导出通过同一个排放阀(8)进行，其中，所述排放阀(8)布置在所述流体箱(2)的上部区域(3.1)中和/或在所述流体箱(2)的上侧(2.2)上方。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述气体在排空步骤中将存在的液体在第一子步骤中向前压过所述排放阀，且在第二子步骤中将待导离的气体的部分通过所述排放阀导出。
12.根据权利要求10或11中任一项所述的方法，其特征在于，使用了根据权利要求1至7中任一项所述的装置。
13.根据权利要求10至12中任一项所述的方法，其特征在于，设置有紧急排放步骤，在所述紧急排放步骤中，在所述内部空间(3)的下部区域(3.1)中的过度的压力增加和/或结冰的情况下，打开在所述内部空间(3)的上部区域中的紧急阀(14)，且存在的流体通过所述上升管路和所述排放阀(8)从内部空间(3)导离，尤其是导引到所述中央流出管路中。
14.根据权利要求10至13中任一项所述的方法，其特征在于，当超过所述上升管路中的内部压力或体积流量的至少一个极限值时，旁通管路(12)被关闭，尤其是通过被动止回阀和/或过压阀关闭。
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