CN117836985A - 用于阳极气体在燃料电池系统的阳极回路中的再循环的设备和运行方法、车辆 - Google Patents
用于阳极气体在燃料电池系统的阳极回路中的再循环的设备和运行方法、车辆 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种用于阳极气体在燃料电池系统的阳极回路中的再循环的设备(1)和运行方法和一种车辆。在此，所述设备(1)用于阳极气体在燃料电池系统(31)的阳极回路中的再循环。以及公开一种具有根据本发明的设备(1)的燃料电池系统(31)。此外，本发明涉及一种用于阳极气体在燃料电池系统(31)的阳极回路中的再循环的运行方法(300)，其中，所述运行方法包括：‑第一运行步骤(301)，在所述第一运行步骤中，在止回阀(18)的未激活状态下，在所述燃料电池系统(31)的第一运行点处仅第二喷射泵(6)被计量阀(10)供给氢气，‑第二运行步骤(303)，在所述第二运行步骤中，在所述燃料电池系统(31)的第二运行点处所述止回阀(18)被激活，以便给第一喷射泵(4)和另外的喷射泵(6)共同供给氢气。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于阳极气体在燃料电池系统的阳极回路中的再循环的设备和运行方法和一种车辆。
背景技术
燃料电池系统包括至少一个燃料电池，借助该燃料电池，燃料(例如氢气)和氧化剂(例如氧气)可以转换为电能、热量和水。燃料电池为此具有阳极和阴极。在设备和/或燃料电池系统运行时，给阳极供给燃料并且给阴极供给氧化剂。据此，燃料是阳极气体。
系统性地，在给阳极供给燃料或阳极气体时已确立如下方法：将从燃料电池中排出的仍然富含燃料的阳极气体再循环并且连同新鲜燃料重新供应给阳极。在此，通常一个喷射泵与另一喷射泵相结合地用作气体输送单元，以便满足在不同运行状态下的、尤其是在高负载运行和低负载运行的情况下的再循环功率。在此，喷射泵可以是能够根据负载分别单独地或者共同地运行的。
由DE 10 2007 004 590 A1已知一种设备，该设备具有并联连接的至少两个喷射泵。典型地，喷射泵在此对于每个喷射泵分别通过独立的计量阀被供给氢气，以便确保对阳极气体的灵活的、符合需要的配量，该阳极气体尤其是驱动介质。在此，问题在于两个独立的计量阀的高成本，其提高设备的总成本。
发明内容
本发明针对的是该问题的解决方案。为了解决，提出具有权利要求1的特征的设备以及具有权利要求8的特征的方法。本发明的有利的扩展方案能够从相应的从属权利要求中得到。此外，提出一种具有根据本发明的设备的燃料电池系统。
根据本发明，提出一种用于阳极气体在燃料电池系统的阳极回路中的再循环的设备和运行方法。在此，该设备包括并联连接的至少两个喷射泵，所述喷射泵能够根据负载分别单独地或者共同地运行，其中，至少间接地给所述喷射泵供应驱动介质，尤其是从罐中经由罐线路供应驱动介质。
参照权利要求1，根据本发明的设备这样实施，使得这些喷射泵在此具有共同的计量阀，借助该计量阀给两个喷射泵配量驱动介质。在此，通过这种方式可以实现如下优点：可以产生该设备的一种成本有利的实施方案，因为可以省去附加的计量阀。此外，通过省去独立的第二计量阀明显降低结构空间需求。
通过在从属权利要求中列举的措施能够实现在权利要求1中说明的有利扩展方案。从属权利要求涉及本发明的优选的扩展方案。
根据该设备的一种有利构型，在计量阀与两个喷射泵之间存在压力空间，其中，压力空间尤其位于计量阀的下游和喷射泵的上游。通过这种方式，驱动介质可以借助计量阀配量到压力空间中，并且从那里流动到相应的喷射泵中。因此，借助压力空间能够实现将流动分支成两个流动路径。此外，压力空间可以这样用作用于驱动介质的收集容器，使得在压力空间中可以建立压力水平，尤其是借助利用计量阀实现的增加的配量。因此，此外能够实现输送装置的紧凑的结构形式。
根据该设备的一种有利的扩展方案，在第一喷射泵的上游连接有止回阀，其中，在超过一压力水平、尤其是在压力空间中超过一压力水平的情况下，止回阀才打开并且因此将第一喷射泵与压力空间和/或第二入口流体连接和/或因此能够运行第一喷射泵。通过这种方式，可以通过成本有利的方式实现设备中的第一喷射泵的根据压力的且可靠的接通。此外，通过这种方式能够降低该设备的失效概率并且因此降低燃料电池系统的失效概率。
根据该设备的一种特别有利的构型，借助第一入口来自燃料电池的再循环物被供应给相应的喷射泵的抽吸区域。在此，第一喷射泵的第一抽吸区域借助连接开口与第二喷射泵的第二抽吸区域流体连接，其中，相应的抽吸区域与第一入口至少间接地流体连接。通过这种方式，借助紧凑的结构形式和/或通过成本有利的方式，能够实现给两个喷射泵供应来自燃料电池的再循环物，使得每个喷射泵可以分别借助驱动介质实现再循环物的输送功率。
根据该设备的一种特别有利的构型，并联连接的喷射泵在结构上耦合，优选地构成一个结构单元和/或布置在共同的基体中。通过这种方式可以实现特别紧凑的设备。此外，可以减少接口的数量，使得例如只需要存在第一入口、第二入口和出口作为接口。另外，可以改进该设备的冷启动能力，因为借助喷射泵的在结构上的耦合例如在基体中可以减小相对于设备的体积的表面，由此，在低的环境温度和长的停机时间的情况下，该设备的冷却过程所需要的时间长得多。通过这种方式，可以防止由于冰桥损害该设备的内流动轮廓和可运动的构件。
根据该设备的一种有利构型，第二喷射泵设计为用于低负载运行。在此，通过计量阀尤其在配量的范畴内对驱动介质进行量控制。因此，在低负载运行的情况下，可以仅运行第二喷射泵，其方式是，尤其在止回阀关闭的情况下，使第一喷射泵与流入线路流体分离。通过这种方式，在燃料电池的低输送量和/或低负载运行的情况下，也可以这样实现输送装置的更好的效率，使得仅第二喷射泵在运行，在燃料电池系统的低负载运行的情况下，该第二喷射泵由于其尺寸和/或流动轮廓的实施而具有比第一喷射泵更高的效率。此外，不会由于阳极气体流过第一喷射泵而出现摩擦损失。因此，可以提供始终高的再循环功率和/或高的效率。
根据一种特别有利的构型，第一喷射泵设计为用于高负载运行，并且通过计量阀和/或止回阀尤其在配量的范畴内对驱动介质进行量控制。通过这种方式可以提供始终高的再循环功率，因为第一喷射泵从超过确定的负载点开始例如自动地被接通，并且因此可以针对高负载运行改进该设备的效率，因为借助两个喷射泵可以实现对燃料电池的优化的供应并且因此增加气态介质的借助该设备的可能的输送量。
因此，所提出的设备适合用于执行在下文中描述的根据本发明的运行方法。因此，借助该设备能够实现相同的优点，即可以改进燃料电池系统的效率。
因此，在第二方面中，所提出的发明涉及一种用于运行所提出的设备的一种可能构型的运行方法。
该运行方法包括：第一运行步骤，在该第一运行步骤中，在止回阀的未激活状态下，在燃料电池系统的第一运行点处仅第二喷射泵被计量阀供给氢气；和第二运行步骤，在该第二运行步骤中，在燃料电池系统的第二运行点处止回阀被激活，以便给第一喷射泵和另外的喷射泵共同供给氢气。
所提出的运行方法尤其用于运行所提出的设备和/或燃料电池系统。
尤其设置，自动地执行所提出的运行方法，其方式是，根据压力激活或停用止回阀。
可以设置，共同使用第一喷射泵和第二喷射泵，以便调设在燃料电池堆叠上供应的氢气量。
通过共同使用或并行运行第一喷射泵和第二喷射泵，可以动态地且以不成比例的特性曲线提供供应给燃料电池堆叠的氢气量，使得例如在低负载的情况下仅借助第二喷射泵提供(不能借助大的第一喷射泵提供的)少量氢气，并且在高负载的情况下提供(不能借助第二喷射泵提供的)大量氢气。
在第三方面中，所提出的发明涉及一种具有所提出的设备的一种可能构型的车辆。
本发明不限于在这里描述的实施例和在其中强调的方面。相反地，在通过权利要求给定的范围内能够实现处于本领域技术人员的能力范围内的多种修改。
附图说明
下面，根据附图更详细地说明本发明。
下面根据附图更详细地阐述本发明的优选的实施方式。这些附图示出：
图1根据本发明的燃料电池系统的示意图，该燃料电池系统具有燃料电池和根据本发明的设备，
图2根据本发明的设备的示意性纵剖面图，
图3根据本发明的运行方法的一种可能构型，
图4根据本发明的车辆的一种可能的构型。
具体实施方式
根据图1的示意图示出根据本发明的燃料电池系统31，该燃料电池系统具有燃料电池32和根据本发明的设备1。
在此，在图1中示出燃料电池系统31的、尤其是阳极回路的一种示例性实施方式。在此示出，输送机组1经由连接线路29与燃料电池32连接，该燃料电池包括阳极区域38和阴极区域40。此外，设置有回流线路23，该回流线路将燃料电池32的阳极区域38与第一入口28并且因此尤其与输送机组1的抽吸区域7(在图2中示出)连接。借助回流线路23，可以将在燃料电池32运行时在阳极区域38中未被利用的第一气态介质引回至第一入口28。该第一气态介质尤其是再循环介质。
如从图1中进一步可看到的那样，储存在罐34中的第二气态介质经由罐线路27供应给输送机组1的第二入口36。该第二气态介质尤其是驱动介质。
图2示出根据本发明的设备1的示意性纵剖面图。在此，设备1适合用于在燃料电池系统31的阳极回路中再循环阳极气体。设备1包括并联连接的至少两个喷射泵4、6，所述喷射泵能够根据负载分别单独地或者共同地运行，其中，至少间接地给喷射泵4、6供应驱动介质，尤其是从罐34中经由罐线路27供应驱动介质。并联连接的喷射泵4、6具有共同的计量阀10，借助该计量阀给两个喷射泵4、6配量驱动介质。
在此，在图2中示出，在计量阀10与两个喷射泵4、6之间存在压力空间5，其中，压力空间5尤其位于计量阀10的下游和喷射泵4、6的上游。在此，在第一喷射泵4的上游连接有止回阀18，其中，在超过一压力水平、尤其是在压力空间5中超过一压力水平的情况下，止回阀18才打开并且因此将第一喷射泵4与压力空间5和/或第二入口36流体连接和/或因此第一喷射泵4能够运行并且被穿流。在此，止回阀18可以具有止挡板20，该止挡板与基体8的至少一个凸肩贴靠并且尤其借助弹簧17被压到该关闭位置中。如果压力空间5中的压力超过一定值，则克服弹簧17的弹簧力将止挡板20压离该凸肩并且止回阀18打开，使得可以给第一喷射泵4供给来自压力空间5的驱动介质并且因此驱动介质至少部分地在流动方向III上穿流第一喷射泵4。
另外，图2示出，并联连接的喷射泵4、6在结构上耦合，优选地构成一个结构单元和/或布置在共同的基体8中。在此，第二喷射泵6可以设计为用于低负载运行，并且通过计量阀10尤其在配量的范畴内对驱动介质进行量控制。此外，第一喷射泵4可以设计为用于高负载运行，并且通过计量阀10和/或止回阀18尤其在配量的范畴内对驱动介质进行量控制。
在图2中示出，两个喷射泵4、6中的每个喷射泵分别在流动方向III上分别具有抽吸区域7a、b、混合管9a、b和扩散器区域11a、b。在此，阳极气体至少部分地在流动方向III上流过喷射泵4、6，其中，流动方向III平行于喷射泵4、6的纵轴线伸延。在此，喷射泵4、6的被穿流的区域的大部分至少近似管状地构造，并且用于输送和/或引导气态介质，所述气态介质尤其是具有H2O和N2份额的H2。来自罐34的驱动介质经由计量阀10流动到压力空间5中。从压力空间5实现驱动介质的流动分支，并且该驱动介质流动入到第一喷射泵4和第二喷射泵6中。在此，根据燃料电池32的运行状态和打开的止回阀18，驱动介质从压力空间5经由第一驱动喷嘴12、尤其通过第一驱动喷嘴12的内置通道流入到第一喷射泵4中。此外，驱动介质可以从压力空间5经由第二驱动喷嘴14、尤其通过第二驱动喷嘴14的内置通道流入到第二喷射泵6中。
在此，借助第一入口28来自燃料电池32的且流经回流线路23的再循环物被供应给相应的喷射泵4、6的抽吸区域7。在此，再循环物尤其可以是来自燃料电池32的阳极区域38(在图1中示出)的、尤其是来自堆的未消耗的H2，其中，该再循环物也可以具有水和氮气。另外在图2中示出，第一喷射泵4的第一抽吸区域7a借助连接开口30与第二喷射泵6的第二抽吸区域7b流体连接，其中，相应的抽吸区域7a、b与第一入口28至少间接地流体连接。
通过相应的喷嘴12、14流入的并且用作驱动介质的氢气与再循环介质具有压力差和/或速度差，该再循环介质从第一入口28流入到相应的喷射泵4、6中，其中，该驱动介质尤其具有至少5bar的较高压力。如果出现所谓的喷射泵效应，则以低的压力将再循环介质输送到相应的喷射泵4、6的中央流动区域中。在此，驱动介质以所描述的压力差和高的速度通过相应的喷嘴12、14流入到相应的抽吸区域7a、b和/或相应的混合管9a、b中，所述高速度尤其可以接近声速。在此，相应的喷嘴12、14具有呈流动开口的形式的内凹部，气态介质可以流动穿过该内凹部，尤其是在第一喷射泵4的情况下经由止回阀18来自计量阀10和/或压力空间5并且流入到抽吸区域7a和/或混合管9a中。在此，驱动介质遇到已经处在相应的抽吸区域7a、b中和/或相应的混合管9a、b中的再循环介质。由于驱动介质与再循环介质之间的高的速度差和/或压力差，在这些介质之间产生内摩擦和湍流。在此，在快速的驱动介质与明显更慢的再循环介质之间的边界层中产生剪切应力。该应力引起动量传递，其中，再循环介质被加速和夹带。根据动量守恒原理发生混合。在此，再循环介质在流动方向III上被加速并且因此对于再循环介质产生压力降，由此出现抽吸作用并且因此从第一入口28的区域中补充输送另外的再循环介质。该效应可以被称为喷射泵效应。通过借助计量阀10来操控驱动介质的配量，可以调节再循环介质的输送速率，并且根据运行状态和运行要求将其匹配于整个燃料电池系统31(在图1中未示出)的相应的需求。在设备1的和/或相应的喷射泵4、6的一种示例性运行状态下(在该运行状态下，计量阀10处在关闭状态下)，可以阻止驱动介质从第二入口36后续流动到相应的喷射泵4、6的中央流动区域中，使得驱动介质不能进一步向再循环介质在流动方向III上流入到相应的抽吸区域7a、b和/或相应的混合管9a、b中，并且喷射泵效应因此停止。
在经过相应的混合管9a、b之后，经混合的并且待输送的介质在流动方向III上流动到相应的扩散器区域11中，该介质尤其由再循环介质和驱动介质组成，其中，在扩散器区域11a、b中可以发生流动速度的降低。该介质从那里例如进一步流经位于基体8中的出口37，并且从那里经由连接线路29流动到燃料电池32的阳极区域38中。
在图3中示出用于运行所提出的燃料电池系统31的一种可能构型的运行方法300。
运行方法300包括第一运行步骤301，在该第一运行步骤中，在止回阀18的未激活状态下，在燃料电池系统31的第一运行点处仅第二喷射泵6被计量阀10供给氢气。在第二运行步骤303中，在燃料电池系统31的第二运行点处止回阀18被激活，以便给第一喷射泵4和第二喷射泵6共同供给氢气。
在图4中示出车辆400。车辆400包括根据图1的燃料电池系统31。
虽然在上文中已根据优选的实施例完整地描述本发明，但是本发明不限于此，而是能够以有利的方式进行修改。
Claims (10)
1.一种用于阳极气体在燃料电池系统(31)的阳极回路中的再循环的设备(1)，所述设备包括并联连接的至少两个喷射泵(4、6)，所述至少两个喷射泵能够根据负载分别单独地或者共同地运行，其中，至少间接地给所述喷射泵(4、6)供应驱动介质，尤其是从罐(34)中经由罐线路(27)和/或第二入口(36)供应驱动介质，其特征在于，并联连接的所述喷射泵(4、6)具有共同的计量阀(10)，借助所述计量阀给所述两个喷射泵(4、6)配量所述驱动介质。
2.根据权利要求1所述的设备(1)，其特征在于，在所述计量阀(10)与所述两个喷射泵(4、6)之间存在压力空间(5)，其中，所述压力空间(5)尤其位于所述计量阀(10)的下游和所述喷射泵(4、6)的上游。
3.根据权利要求2所述的设备(1)，其特征在于，在所述第一喷射泵(4)的上游连接有止回阀(18)，其中，在超过一压力水平、尤其是在所述压力空间(5)中超过一压力水平的情况下，所述止回阀(18)才打开并且因此将所述第一喷射泵(4)与所述压力空间(5)和/或第二入口(36)流体连接和/或因此能够运行所述第一喷射泵(4)。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的设备(1)，其特征在于，借助第一入口(28)来自燃料电池(32)的再循环物被供应给相应的喷射泵(4、6)的抽吸区域(7)，其中，所述第一喷射泵(4)的第一抽吸区域(7a)借助连接开口(30)与所述第二喷射泵(6)的第二抽吸区域(7b)流体连接，其中，相应的抽吸区域(7a、b)与所述第一入口(28)至少间接地流体连接。
5.根据上述权利要求中任一项所述的设备(1)，其特征在于，并联连接的所述喷射泵(4、6)在结构上耦合，优选地构成一个结构单元和/或布置在共同的基体(8)中。
6.根据上述权利要求中任一项所述的设备(1)，其特征在于，所述第二喷射泵(6)设计为用于低负载运行，并且通过所述计量阀(10)尤其在配量的范畴内对驱动介质进行量控制。
7.根据上述权利要求中任一项所述的设备(1)，其特征在于，所述第一喷射泵(4)设计为用于高负载运行，并且通过所述计量阀(10)和/或止回阀(18)尤其在配量的范畴内对驱动介质进行量控制。
8.一种用于运行燃料电池系统(31)中的根据权利要求1至7中任一项所述的设备(1)的运行方法(300)，
其中，所述运行方法包括：
-第一运行步骤(301)，在所述第一运行步骤中，在止回阀(18)的未激活状态下，在所述燃料电池系统(31)的第一运行点处仅第二喷射泵(6)被计量阀(10)供给氢气，
-第二运行步骤(303)，在所述第二运行步骤中，在所述燃料电池系统(31)的第二运行点处所述止回阀(18)被激活，以便给第一喷射泵(4)和另外的喷射泵(6)共同供给氢气。
9.根据权利要求8所述的运行方法(300)，
其特征在于，
共同使用所述第一喷射泵和所述第二喷射泵，以便调设在燃料电池堆叠(101)上供应的氢气量。
10.一种具有根据权利要求1至7中任一项所述的燃料电池系统(100)的车辆(400)。
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- 2021-08-24 DE DE102021209255.1A patent/DE102021209255A1/de active Pending
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2022
- 2022-07-06 CN CN202280057247.XA patent/CN117836985A/zh active Pending
- 2022-07-06 WO PCT/EP2022/068697 patent/WO2023025446A1/de active Application Filing
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| Publication number | Publication date |
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| WO2023025446A1 (de) | 2023-03-02 |
| DE102021209255A1 (de) | 2023-03-02 |
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| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication |