CN117981129A - 用于在燃料电池系统的阳极回路中再循环阳极气体的装置和方法、燃料电池系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于在燃料电池系统(31)的阳极回路中再循环阳极气体的装置(1)以及具有根据本发明的装置(1)的燃料电池系统(31)。此外，本发明涉及一种用于在燃料电池系统(31)的阳极回路中再循环阳极气体的方法，其中，使用至少两个并联连接的射流泵(4、6)，所述射流泵能够根据负载分别单个地或共同地运行。

Description

用于在燃料电池系统的阳极回路中再循环阳极气体的装置和 方法、燃料电池系统

技术领域

本发明涉及一种用于在燃料电池系统的阳极回路中再循环阳极气体的装置。此外，提出一种用于在燃料电池系统的阳极回路中再循环阳极气体的方法。该装置能够执行根据本发明的方法。此外，本发明涉及一种具有根据本发明的装置的燃料电池系统。

背景技术

燃料电池系统包括至少一个燃料电池，借助该燃料电池可以将燃料，例如氢气和氧化剂，例如氧气转化成电能、热量和水。为此，燃料电池具有阳极和阴极。在燃料电池系统的运行中，阳极被供给以燃料并且阴极被供给以氧化剂。因此，燃料是阳极气体。

系统地，在向阳极供给以燃料或阳极气体时已经建立了将离开燃料电池的仍然富含燃料的阳极气体再循环并且将其与新鲜燃料一起重新供应给阳极的方案。在此，一个射流泵通常与另一射流泵组合地作为气体输送单元使用，以便在不同运行状态，尤其高负载运行和低负载运行下覆盖再循环功率。在此，射流泵能够根据负载分别单个地或共同地运行。射流泵在此分别通过每射流泵的单独的配量阀被供给以氢气，以便确保根据需要灵活地配量阳极气体，该阳极气体尤其是驱动介质。

由DE 10 2007 004 590 A1已知一种具有至少两个并联连接的射流泵的装置。通常出于安全原因附加地在两个射流泵的每一个上分别使用止回阀，以防止输送量通过对应的射流泵的回流。在此，问题是对于两个单独的止回阀的高成本，这增加了装置的总成本。

发明内容

本发明涉及该问题的解决方案。对于解决方案提出具有权利要求1特征的装置和具有权利要求8特征的方法。本发明的有利扩展方案能够在各从属权利要求中得出。此外，给出具有根据本发明的装置的燃料电池系统。

根据本发明提出用于在燃料电池系统的阳极回路中再循环阳极气体的装置和方法以及燃料电池系统。该装置包括至少两个并联连接的射流泵，这两个射流泵能够根据负载分别单个地或共同地运行，其中，向射流泵至少间接地供应驱动介质，该驱动介质尤其从箱通过对应的配量阀和流入管路被供应。

参考权利要求1，根据本发明的装置如此实施，使得第一射流泵在流入侧或流出侧通过至少一个止回阀与燃料电池、尤其阳极区域流体连接，其中，第二射流泵在没有这种止回阀、尤其在流动路径中没有这种止回阀的情况下在流入侧或在流出侧与燃料电池、尤其是阳极区域流体连接。以这种方式可以实现以下优点：可以引起装置的成本低的实施，因为可以节省用于第二射流泵的附加的第二止回阀。此外，通过取消附加的第二止回阀明显减少了结构空间需求。因此，可以引起装置的更紧凑的结构形式，由此在整个车辆中需要很少的安装空间。此外，由于节省了第二止回阀而完全避免了该第二止回阀故障的危险，因此可以提高装置的使用寿命。此外，通过装置的根据本发明的这种构型可以改善装置和因此整个燃料电池系统的冷启动能力，尤其在阳极回路中存在高湿度时的低于0℃的温度下。因此，通过以下方式防止在第二射流泵的区域中的第二止回阀的冻结，即第二射流泵实施为不具有这种的第二止回阀和/或与燃料电池连接。由此，第二射流泵也能够在低温下可靠地运行，并且燃料电池能够随时启动。

通过在从属权利要求中列举的措施，在权利要求1中给出的输送装置的有利扩展方案是可能的。从属权利要求涉及本发明的优选扩展方案。

根据装置的一个特别有利的扩展方案，第一射流泵的止回阀在流出侧位于连接管路的区域中或位于连接管路和第一射流泵之间。此外或替代地，所述止回阀或附加的止回阀可以在流入侧通过第一流入口位于回引管路的区域中或位于回引管路和第一射流泵之间。以这种方式可以可靠地防止输送量通过第一射流泵的回流，尤其当第一射流泵不执行对驱动介质的量控制时。此外，通过装置的该本发明的实施方式引起装置的紧凑的结构形式。

根据装置的一个有利扩展方案，第二射流泵针对低负载运行设计。在此，对驱动介质的量控制尤其在配量的范畴内仅通过第二配量阀实现。因此，在低负载运行的情况下仅运行第二射流泵，其方式是：第一射流泵借助配量阀与流入管路流体分离并且也借助止回阀防止输送量通过第一射流泵的回流。在此，第二射流泵由于其尺寸和/或通流轮廓的实施方式在燃料电池系统的低负载运行时比第一射流泵具有更好的效率。此外，不出现由于阳极气体流过第一射流泵而导致的摩擦损失。因此，可以提供恒定的高再循环功率和/或高效率。

根据一个特别有利的构型，第一射流泵针对高负载运行设计，并且对驱动介质的量控制尤其在配量的范畴内通过第一配量阀实现。因为射流泵能够彼此分开地操控，所以以这种方式可以提供恒定的高再循环功率。此外，因为可以借助第一射流泵优化地供给燃料电池，所以可以改善燃料电池系统的效率。

根据装置的一个特别有利的扩展方案，第二射流泵即使在至少几乎为零的低输送量的情况下也具有与第一射流泵至少近似相同的压力建立潜力，尤其由于第二射流泵的几何实施形式。以这种方式可以借助该压力建立潜力防止阳极气体的输送量通过第二射流泵的回流。因此，可以改善装置和/或燃料电池系统的效率。

根据装置的一个有利构型，来自第一截止阀的流入管路在第一节点的区域中分支成第一流入管路和第二流入管路。以这种方式，第一和第二射流泵可以并联地连接。在此，可以通过打开第二配量阀，而同时保持第一射流泵的第一配量阀关闭的方式仅对第二射流泵进行供给，此外，两个并联连接的射流泵能够共同地运行。在此，能够改善装置和/或燃料电池系统的效率并且可以确保在至少几乎所有运行状态下向燃料电池有效地供给以氢气。

因此，所提出的装置尤其适用于执行在下面描述的根据本发明的方法。因此，借助该装置能够实现相同的优点，即可以改善燃料电池系统的效率。

根据在所提出的用于在燃料电池系统的阳极回路中再循环阳极气体的方法中的一个有利构型，使用至少两个并联连接的射流泵，其中第二射流泵永久地运行并且第一射流泵能够根据负载接通，尤其借助第一配量阀，其中，仅第一射流泵具有止回阀。以这种方式，所述方法可以如此运行，使得由于在第二射流泵的区域中不存在第二止回阀而可以减小通流管路的流动阻力。以这种方式能够借助所述方法改善燃料电池系统的效率。此外，两个射流泵原则上也可以被用于阳极气体的再循环。以这种方式可以带来恒定的高再循环功率，具体而言不但在高负载时而且在低负载时。

在方法的一个特别有利的构型中提出，在低负载时仅运行针对低负载设计的第二射流泵。这导致负载匹配的再循环功率。对于高负载可以设置高负载射流泵、即第一射流泵，然后，该高负载射流泵与低负载射流泵、即第二射流泵一起运行。

在方法的一个特别有利的构型中，在仅运行第二射流泵时借助至少一个阀、尤其是止回阀防止阳极气体通过对应的第一射流泵的回流。只要仅一个射流泵运行，就存在阳极气体通过非激活的射流泵被吸回的危险。在使用截止元件作为止回阀时，该截止元件也可以是被动的或者说压力控制的阀，使得在这里实施也是比较容易的。优选地，至少一个截止元件布置在连接管路的区域中。

本发明不限于在此所描述的实施例和其中强调的方面。而是，在通过权利要求书给定的范围内能够实现多个修改，这些修改都在本领域技术人员能力的范畴内。

下面根据附图详细地说明本发明。

附图说明

下面根据附图更详细地阐述本发明的优选实施方式。附图示出了：

图1：根据本发明的射流泵的示意性的纵截面；

图2：根据本发明的燃料电池组件的示意图，该燃料电池组件具有燃料电池和根据第一实施例的装置；

图3：根据本发明的燃料电池组件的示意图，该燃料电池组件具有燃料电池和根据第二实施例的装置。

具体实施方式

根据图1的示图示出第一射流泵4或第二射流泵6的示意性纵截面。

射流泵4、6具有第一流入口28、第二流入口36、抽吸区域7、混合管9和扩散器区域11。在此，阳极气体至少部分地沿流动方向III流过射流泵4、6，其中，流动方向III平行于射流泵4、6的纵轴线52延伸。在此，射流泵4、6的被流过的大部分至少近似管状地构造并且用于在射流泵4、6中输送和/或引导气态介质，该气态介质尤其是具有H₂O和N₂成分的H₂。在此，射流泵4、6借助第二流入口36被供应驱动介质，该驱动介质通过喷嘴12的通道流入到抽吸区域7或混合管9中。此外，通过第一流入口28向射流泵4、6供应再循环物，其中，再循环物尤其是来自燃料电池32、尤其堆叠的阳极区域38(在图2中所示)的未消耗的H₂，其中，再循环物也可以具有水和氮气。在此，驱动介质可以来自箱34并且处于高压下、尤其大于5bar。

驱动介质从喷嘴12被排放到抽吸区域7和/或混合管9中。流经喷嘴12并用作驱动介质的氢气相对于再循环介质具有压差和/或速度差，所述再循环介质从第一流入口28流入到对应的射流泵4、6中，其中，驱动介质尤其具有至少5bar的较高压力。如果出现所谓的射流泵效应，则再循环介质以低压被输送到对应射流泵4、6的中央流动区域中。在此，驱动介质以所描述的压差和高速度(该高速度尤其可以接近声速)通过喷嘴12流入到抽吸区域7和/或混合管9中。

喷嘴12在此具有呈流动开口形式的内部槽口，气态介质可以流过该内部槽口，尤其在第一射流泵4来自第一配量阀10并且流入到抽吸区域7和/或混合管9中的情况下。在此，驱动介质作用到已经处于抽吸区域7和/或混合管9中的再循环介质上。由于驱动介质和再循环介质之间的高速度和/或压差，在介质之间产生内部摩擦和湍流。在此，在快速的驱动介质和显著更慢的再循环介质之间的边界层中形成剪切应力。该应力引起动量传递，其中，再循环介质被加速和携带。混合按照动量守恒的原理进行。在此，再循环介质在流动方向III上加速并且对于再循环介质形成压力降，由此，抽吸作用开始并且因此，另外的再循环介质从第一流入口28的区域被补充输送。

该效应可以称为射流泵效应。通过借助第一配量阀10和/或第一截止阀15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使其根据运行状态和运行要求匹配整个燃料电池系统31(在图1中未示出)的各需求。在装置1和/或对应的射流泵4、6的示例性运行状态中(在所述运行状态中，第一配量阀10处于关闭状态下)可以防止，驱动介质从第二流入口36补充流入到第一射流泵4的中央流动区域中，使得驱动介质不再能够进一步沿流动方向III朝向再循环介质流入到抽吸区域7和/或混合管9中并且因此射流泵效应停止。在通过混合管9之后，混合的并且待输送的介质(其尤其由再循环介质和驱动介质构成)沿流动方向III流到扩散器区域11中，其中，在扩散器区域11中可以发生流动速度的减小。从那里，介质例如进一步流到燃料电池32的阳极区域38中。

如在图1中所示地，对应的配量阀10、14可以直接位于对应的射流泵4、6上，并且尤其可以与该射流泵形成一个共同的结构组，其中，对应的配量阀10、14具有对应地集成的驱动喷嘴12a、b。在此，新鲜的阳极气体通过对应的配量阀10、14和/或对应地集成的驱动喷嘴12a、b被供应给对应的射流泵4、6。

图2示出根据本发明的燃料电池系统31的示意图，该燃料电池系统具有燃料电池32和根据第一实施例的装置1。在此，装置1用于在燃料电池系统31的阳极回路中再循环阳极气体，所述装置包括至少两个并联地连接的射流泵4、6，所述射流泵能够根据负载分别单个地或共同地运行，其中，向射流泵4、6至少间接地供应驱动介质，尤其从箱34经由第一截止阀15和/或流入管路21被供应。在一个示例性的实施方式中，新鲜的阳极气体(尤其是驱动介质)在此从箱34经由箱管路27流到第二截止阀17。在此，第二截止阀17可以用于将箱34与燃料电池系统31和/或燃料电池32流体分离。驱动介质从第二截止阀17流到压力调节阀19，该压力调节阀尤其是减压器19，借助该减压器，在来自箱34的阳极气体进一步流到中压管路中之前，减小该阳极气体的压力水平。在此，第二截止阀17通常出于安全原因被使用，其中，第二截止阀17可选地被使用。在燃料电池系统31的一个可能的示例性实施方式中，压力减小在此可以从例如在箱34中存在的700bar范围内的压力水平向下调节到中压管路的区域中的在10bar至15bar范围内的压力水平。驱动介质从中压管路通过第一截止阀15和下游的流入管路21流到对应的射流泵4、6。来自第一截止阀15的流入管路21在第一节点46的区域中分支成第一流入管路21a和第二流入管路21b。

在此示出了，装置1和/或对应的射流泵4、6通过连接管路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。此外设置回引管路23，该回引管路将燃料电池32的阳极区域38至少间接地与对应的第一流入口28并且因此尤其与对应的射流泵4、6的抽吸区域7连接。借助回引管路23可以将在燃料电池32运行时在阳极区域38中未使用的第一气态介质引回到第一流入口28。该第一气态介质尤其是之前所描述的再循环介质。在一个示例性的实施方式中，水分离器8和/或排放阀30还可以位于回引管路23的区域中。因此，未消耗的气态介质从燃料电池32流到水分离器8中，在所述水分离器中，水与氢气分离并且水然后例如借助阀8被排放到周围环境26中。从那里，阳极气体可以通过连接管路29流回到对应的射流泵4、6或排放阀30。在排放阀30(尤其是清除阀30)的区域中，水和/或氢气和/或氮气被释放到周围环境26中。

如在图2中所示地，第一射流泵4在流入侧或流出侧通过至少一个止回阀18与燃料电池32、尤其是阳极区域38流体连接，其中，第二射流泵6在没有这种止回阀，尤其在流动路径中没有这种止回阀的情况下在流入侧或流出侧与燃料电池32、尤其是阳极区域38流体连接。因此，第二射流泵6不具有单独的第二止回阀。在此，特别有利的是，第二射流泵6针对燃料电池32的出现的最小运行点设计并且因此不需要量调节。相反地，第一射流泵4针对高负载运行设计并且驱动介质的量控制，尤其在配量的范畴内通过第一配量阀10实现。因此，第二射流泵6针于低负载运行设计并且驱动介质的量控制，尤其在配量的范畴内通过第二配量阀14实现。与此相反，第一射流泵4针对高负载运行设计并且驱动介质的量控制，尤其在配量的范畴内通过第一配量阀10实现。

如在图2中所示地，对应的连接管路29a、b位于对应的射流泵4、6下游。连接管路29a、b在第二节点48的区域中汇聚和/或相互流体连接并且与连接管路29的另一区域连接。在此，对应的射流泵4、6借助连接管路29与燃料电池32连接。在图2中所示的第一实施例中，第一射流泵4的止回阀18在流入侧在第一入口28之前位于回引管路23b的区域中或位于回引管路23b和第一射流泵4之间。

在图2所示的装置1中，第二射流泵6即使在至少几乎为零的低输送量时也具有与第一射流泵4至少近似相同的压力建立潜力，尤其由于第二射流泵6的几何实施方式。在所示的用于再循环阳极气体的方法中，其中使用至少两个并联连接的射流泵4、6(其中第二射流泵6永久地运行并且第一射流泵4能够根据负载接通)。该接通在此可以借助第一配量阀10实现，其中，仅第一射流泵4具有止回阀18。在此，可以使用止回阀18的不同的结构形式，例如弹簧加载的或无弹簧的止回阀18或球阀18、板阀18、瓣阀18。在用于运行装置1的方法中，在第二射流泵6的情况下借助至少一个止回阀18防止阳极气体通过第一射流泵4的回流。以这种方式可以实现射流泵4、6能够以有效的方式并联连接的优点。此外，第一射流泵4和第二射流泵6因此可以有效地并联连接并且在燃料电池系统31的不同运行状态下可以保证向燃料电池32有效地供给以阳极气体。此外，装置1和连接管路29a、29b的紧凑的结构形式能够在它们流体连接的情况下借助第二节点48实现。

在图3中是根据本发明的燃料系统31的示意图，该燃料系统具有燃料电池32和根据第二实施例的装置1。在此，第一射流泵4的止回阀18在流入侧在第一流入口28之前位于回引管路23b的区域中或位于回引管路23b与第一射流泵4之间，或者在流出侧位于连接管路29b的区域中或位于连接管路29b与第一射流泵4之间。

尽管上面已经根据优选的实施例充分描述了本发明，但本发明不限于此，而是能够以多种方式修改。

Claims (11)

1.一种用于在燃料电池系统(31)的阳极回路中再循环阳极气体的装置(1)，包括至少两个并联连接的射流泵(4、6)，所述射流泵能够根据负载分别单个地或共同地运行，其中，向所述射流泵(4、6)至少间接地经由流入管路(21)供应驱动介质，该驱动介质尤其来自箱(34)，其中，第一射流泵(4)在入口侧具有第一阀(10)、优选地第一配量阀(10)，并且第二射流泵(6)在入口侧具有第二阀(14)、优选地第二配量阀(14)，其中，所述射流泵(4、6)通过至少一个连接管路(29)和至少一个回引管路(23)至少间接地与燃料电池(32)流体连接，其特征在于，所述第一射流泵(4)在流入侧或流出侧通过至少一个止回阀(18)与所述燃料电池(32)、尤其是阳极区域(38)流体连接，其中，所述第二射流泵(6)在没有这种止回阀、尤其在流动路径中没有这种止回阀的情况下在流入侧或流出侧与所述燃料电池(32)、尤其是所述阳极区域(38)流体连接。

2.根据权利要求1所述的装置(1)，其特征在于，所述第一射流泵(4)的止回阀(18)在流出侧位于所述连接管路(29b)的区域中或位于所述连接管路(29b)和所述第一射流泵(4)之间和/或在流入侧通过第一流入口(28)位于所述回流管路(23b)的区域中或位于所述回流管路(23b)和所述第一射流泵(4)之间。

3.根据权利要求1所述的装置(1)，其特征在于，所述第二射流泵(6)针对低负载运行设计，并且驱动介质的量控制通过所述第二配量阀(14)实现、尤其在配量的范畴内通过所述第二配量阀(14)实现。

4.根据权利要求1或2所述的装置(1)，其特征在于，所述第一射流泵(4)针对高负载运行设计，并且驱动介质的量控制通过所述第一配量阀(10)实现、尤其在配量的范畴内通过所述第一配量阀(10)实现。

5.根据权利要求3或4所述的装置(1)，其特征在于，所述第二射流泵(6)即使在至少几乎为零的低输送量的情况下也具有与所述第一射流泵(4)至少近似相同的压力建立潜力，尤其由于所述第二射流泵(6)的几何实施方式。

6.根据前述权利要求中任一项所述的装置(1)，其特征在于，来自第一截止阀(15)的流入管路(21)在第一节点(46)的区域中分支成第一流入管路(21a)和第二流入管路(21b)。

7.根据前述权利要求中任一项所述的装置(1)，其特征在于，为了操控对应的射流泵(4、6)，使用对应的配量阀(10、14)、进一步优选地使用具有集成的驱动喷嘴(12a、b)的对应的配量阀(10、14)，通过所述配量阀将新鲜的阳极气体供应给所述对应的射流泵(10、14)。

8.一种用于在燃料电池系统(31)的阳极回路中再循环阳极气体的方法，在所述方法中，使用至少两个并联连接的射流泵(4、6)，在所述射流泵中，第二射流泵(6)永久地运行并且第一射流泵(4)能够根据负载接通，尤其借助第一配量阀(10)，其中，仅所述第一射流泵(4)具有止回阀(18)。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，在低负载时仅运行针对低负载设计的第二射流泵(6)。

10.根据权利要求8或9所述的方法，其特征在于，在仅运行所述第二射流泵(6)时借助至少一个止回阀(18)防止阳极气体通过所述第一射流泵(4)的回流。

11.一种燃料电池系统，具有根据前述权利要求1至7中任一项所述的装置(1)，其中，所述装置(1)布置在所述燃料电池系统(31)的阳极回路中。