CN118176604A - 用于使阳极气体在燃料电池系统的阳极回路中再循环的装置和运行方法、燃料电池系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于使燃料电池系统(31)的阳极回路中的阳极气体再循环的装置(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使燃料电池系统(31)的阳极回路中的阳极气体再循环的的运行方法(300)，其中使用并联连接的射流泵(4)和旁路(15)，所述射流泵和旁路能够根据负载分别单个地或共同运行。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于使阳极气体在燃料电池系统的阳极回路中再循环的装置。此外，提出一种用于使阳极气体在燃料电池系统的阳极回路中再循环的运行方法。该装置能够执行根据本发明的运行方法。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，借助该燃料电池能够将燃料，例如氢气和氧化剂，例如氧气转化成电能、热和水。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使从燃料电池流出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，射流泵单独地或与再循环风扇组合地通常用作气体输送单元。在此有问题是射流泵在部分负载范围或低负载范围内的减小的再循环性能。
发明内容
本发明涉及解决该问题的解决方案。对于解决方案提出具有权利要求1特征的装置以及具有权利要求6特征的运行方法。本发明的有利扩展方案可以从各从属权利要求得出。此外，给出了具有根据本发明的装置的燃料电池系统。
根据本发明提出一种用于使阳极气体在燃料电池系统的阳极回路中再循环的装置和运行方法和/或燃料电池系统。该装置在此包括射流泵，该射流泵间接地被供应驱动介质，尤其从罐经由罐管路和/或第二流入口供应。在此，射流泵在入口侧具有第一配量阀并且经由至少一个连接管路和至少一个回引管路与燃料电池至少间接地流体连接。此外，该射流泵被供给以来自燃料电池的未消耗的再循环物。
参考权利要求1，根据本发明的装置如此实施，使得该装置具有旁路，该旁路与射流泵流体并行地布置和/或能够运行，其中，旁路在入口侧具有第二配量阀，其中，旁路经由至少一个连接管路和/或第二流入口与罐连接，其中，尤其旁路能够在高负载运行时如此接通，使得所需的驱动介质的量在燃料电池的高负载点时被供应给该燃料电池。以这种方式可以实现如下优点，即不需要第二射流泵，该第二射流泵除了所述射流泵外例如在装置的必须向燃料电池输送满负载量的高负载运行的情况下被激活。在此，在高负载运行时借助第二配量阀打开旁路，使得装置能够输送满负载量。在此，与射流泵相比，旁路结构设计上不太复杂地实施，尤其在其通流几何形状方面。因此可以节省用于附加的第二射流泵的成本，由此能够降低装置和/或整个燃料电池系统的总成本。
在此，射流泵针对部分负载运行进行了优化，其方式是：射流泵的喷嘴如此设计，使得其在高负载运行期间不能提供由燃料电池所需的驱动介质的量，尤其作为输送功率和/或呈体积流形式的流量。在燃料电池的高负载运行时和/或高负载范围内，该附加地所需的驱动介质的量附加地通过旁通阀被配量至燃料。
通过在从属权利要求中列出的措施，在权利要求1中给出的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。
根据装置的一个有利构型，旁路能够借助第二配量阀被配量来自罐的驱动介质。以这种方式，旁路能够一方面至少几乎完全被流体中断，例如在射流泵的不应发生借助旁路将驱动介质直接配量至燃料电池的运行中。然而，此外借助第二配量阀也可以执行旁路的节拍式的打开，使得驱动介质可以以优化的冲击方式配量至燃料电池。因此能够提高装置和/或燃料电池和/或燃料电池系统的效率。
根据装置的一个有利扩展方案，旁路和射流泵位于装置的共同基体中。以这种方式可以实现特别紧凑的装置。此外，可以减少接头的数量，使得例如仅须存在第一流入口、第二流入口和流出口作为接头。此外，可以改善装置的冷启动性能，因为借助射流泵和/或旁路例如在基体中的结构耦合可以相对于装置的体积减小表面积。由此，在低环境温度下和长停机时间时，装置的冷却过程需要绝对更长时间。以这种方式可以防止由于冰桥而对装置的内部通流轮廓和可运动构件的损坏。
根据装置的一个有利扩展方案，射流泵设计成用于部分负载运行。在此，驱动介质的量控制尤其在配量的范畴内仅通过第一配量阀实现。以这种方式可以在燃料电池系统的部分负载运行时仅运行射流泵。此外，不出现由于阳极气体流经射流泵而出现摩擦损失。因此可以提供恒定的高再循环性能和/或有效率。此外，射流泵可以尺寸设计得更小，因为该射流泵仅须输送小的输送功率和/或呈体积流形式的流量。以这种方式能够减少装置中和整个车辆中所需的结构空间和/或降低射流泵的制造成本。
根据装置的一个特别有利的扩展方案，射流泵具有喷嘴，其中，射流泵的喷嘴设计成，使得该喷嘴在高负载运行B期间不能提供由燃料电池所需的驱动介质的量、尤其作为输送功率和/或呈体积流形式的流量。以这种方式可以实现如下优点，即可以引起射流泵和/或输送机组的紧凑的结构形式。
根据装置的一个特别有利的构造，第二配量阀与第一配量阀至少几乎结构相同地构造。以这种方式能够降低装置和/或整个燃料电池系统的成本，因为由于件数效应和/或携同效应可以使用至少几乎结构相同的配量阀，分别对于每个射流泵使用一个配量阀，并且对于每个旁路使用另一配量阀。因此，由于较高的件数能够降低采购成本，而且由于装置的较小的构件差异也可以降低物流成本和仓储成本，由此能够实现总成本降低。此外，在装置的维修或维护的情况下仅须保留很少的备用件。
因此，所提出的装置尤其适合于执行在下面所描述的根据本发明的运行方法。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。
因此，在第二方面中，本发明涉及一种用于运行所提出的装置的可能构型的运行方法。
适合于运行燃料电池系统中的装置的运行方法包括第一运行步骤，其中在旁路不激活的状态下和/或第二配量阀关闭时，射流泵仅借助第一配量阀和/或第二流入口被供给以氢气、尤其驱动介质。此外，运行方法还包括第二运行步骤，其中射流泵和旁路同时运行，其中射流泵借助第一配量阀和/或第二流入口并且旁路借助第二配量阀和/或第二流入口被供给以氢气、尤其驱动介质。所提出的运行方法尤其用于运行所提出的装置和/或燃料电池系统。在第二运行步骤之后的可选的第三运行步骤中，第二配量阀被关闭并且因此旁路被停用。因此，射流泵仅借助第一配量阀和/或第二流入口被供给以氢气、尤其驱动介质。
尤其设置，自动地执行所提出的运行方法，其方式是：对应的配量阀根据燃料电池的运行状态和/或运行点被激活或停用。
在第二运行步骤中在射流泵运行时同时激活旁路可以用于在高负载运行中运行燃料电池，而不必使用和/或设置尤其设计成用于高负载运行的第二射流泵。因此，由燃料电池所需的满负载氢气量通过射流泵和旁路一起被输送至燃料电池。以这种方式能够改善燃料电池和/或装置和/或燃料电池系统的效率，同时可以通过节省第二射流泵而降低装置的成本。一旦燃料电池的运行状态和需求再次下降，装置就通过关闭第二配量阀和因此停用旁路而变换到第三运行步骤中。因此，射流泵仅借助第一配量阀和/或第二流入口被供给以驱动介质。
根据运行方法的一个有利构造，第一运行步骤和/或第三运行步骤处于低负载运行范围、尤其燃料电池的低负载运行范围的区域中。在此，仅通过第一配量阀实现将驱动介质至燃料电池的配量和压力调节。以这种方式，射流泵可以实施得更小并且更紧凑，因为该射流泵仅针对气态介质的低输送量设计，由此能够降低装置的成本。此外，因为能够借助第一配量阀实现驱动介质的有效配量，所以可以提高装置的效率，使得经由第一流入口供应的再循环物可以借助驱动介质有效地被输送和/或再循环。
根据运行方法的一个有利扩展方案，第二运行步骤处于高负载运行的区域中，尤其燃料电池的高负载运行的区域中，其中，在此通过第一和第二配量阀将驱动介质配量至燃料电池，其中，压力调节仅通过第二配量阀实现。在此，第一配量阀可以保持完全打开，而第二配量阀为了调节压力而节拍式地、尤其节拍式打开和关闭地被操控。以这种方式，从装置朝向燃料电池的量调节和/或压力调节可以仅借助第二配量阀实现，其中，因此可以对到燃料电池的氢气进行更有效的量调节并且同时可以节省用于操控第一配量阀的激活能量。以这种方式可以提高装置的效率。
在第三方面中，本发明涉及一种具有所提出的装置的可能构型的燃料电池系统。
本发明不限于在此所描述的实施例和在其中突出的方面。而是在通过权利要求给出的范围内可以进行大量修改，这些修改在本领域技术人员能力的范围内。
附图说明
根据附图下面更详细地描述本发明。
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装置，
图2：根据本发明的装置的示意性纵截面，
图3：根据本发明的运行方法的可能构型，
图4：以函数图的形式示出装置和/或燃料电池的运行步骤和运行范围的对照。
具体实施方式
根据图1的视图示出根据本发明的燃料电池系统31，其具有燃料电池32和根据本发明的装置1。
在此，在图1中示出燃料电池系统31、尤其阳极回路的示例性实施方式。在此示出了输送机组1经由连接管路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与第一流入口28并且因此尤其与输送机组1的吸入区域7(在图2中示出)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中的未使用的第一气态介质引回至第一流入口28。该第一气态介质尤其是再循环介质。
如从图1还可看到，存储在罐34中的第二气态介质经由罐管路27被供应给输送机组1的第二流入口36。该第二气态介质尤其是驱动介质。
图2示出根据本发明的装置1的示意性纵截面。在此，装置1适用于使燃料电池系统31的阳极回路中的阳极气体再循环。装置1在此包括射流泵4，驱动介质至少间接地被供应给射流泵4，尤其从罐34经由罐管路27和/或第二流入口36被供应，其中，射流泵4在入口侧具有第一配量阀10，并且其中，射流泵4经由至少一个连接管路29和至少一个回引管路23与燃料电池32至少间接地流体连接并且被供给以来自燃料电池32的未消耗的再循环物。此外，装置1具有旁路15，该旁路与射流泵4流体并行地布置和/或能够运行，其中，旁路15在入口侧具有第二配量阀16。在此，旁路15可以经由至少一个连接管路29和/或第二流入口36与罐34连接。在此，旁路能够在高负载运行(B)时接通，使得将在燃料电池的高负载点时所需的驱动介质的量供应给该燃料电池。在此，借助第二配量阀16将来自罐34的驱动介质配量至旁路15。
此外，图2示出射流泵4沿第一流动方向III具有吸入区域7、混合管9和扩散器区域11。在此，阳极气体沿第一流动方向III至少部分地流过射流泵4，其中，第一流动方向III平行于射流泵4的纵轴线延伸。在此，射流泵4的被流过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，该气态介质尤其是可以具有H2O和N2成分的氢气。来自罐34的驱动介质经由第一配量阀10流到射流泵4的可选的压力室5中。驱动介质从压力室5通过喷嘴12、尤其驱动喷嘴12，尤其通过驱动喷嘴12的内部通道流入到射流泵4的吸入区域7中。
在此，来自燃料电池32并经由回引管路23流动的再循环物借助第一流入口28被供应至射流泵4的吸入区域7。在此，再循环物尤其可以是来自阳极区域38(在图1中示出)、燃料电池32、尤其是堆叠的未消耗的H2，其中，再循环物也可以具有水和氮气。在此，通过喷嘴12流入并用作驱动介质的氢气与从第一流入口28流入到射流泵4中的再循环介质具有压力差和/或速度差，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射流泵4的中央流动区域中。在此，驱动介质以所描述的压力差和尤其可以接近声速的高速度通过喷嘴12流入到吸入区域7和/或混合管9中。在此，对应的喷嘴12具有呈通流开口形式的内槽口，气态介质可以流过所述内槽口。在此，驱动介质与已经处于对应的吸入区域7中和/或对应的混合管9中的再循环介质相遇。由于驱动介质和再循环介质之间的高速度差和/或压力差，在介质之间产生内摩擦和湍流。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，再循环介质被加速并携带。混合根据动量守恒原理发生。
在此，再循环介质沿第一流动方向III被加速并且对于再循环介质形成压力降，由此，抽吸效应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操控驱动介质的配量可以调节再循环介质的输送率并且根据运行状态和运行要求适配燃料电池32和/或整个燃料电池系统31(在图1中未示出)的对应需求41。
在通过混合管9b之后，经混合的和待输送的介质(其尤其由再循环介质和驱动介质组成)沿第一流动方向III流到扩散器区域11中，其中，在扩散器区域11中可以出现流动速度的减小。从那里，介质例如进一步经由流出管路37并从那里经由连接管路29流到燃料电池32的阳极区域38中。
在图2中还示出来自罐34的作为驱动介质的阳极气体经由罐管路27流到第二流入口36中。在此，第二流入口36流体技术上沿通流方向在第一节点46的区域中分支成进一步通向第一配量阀10和/或射流泵4的第二流入口36a和进一步通向第二配量阀16和/或旁路15的第二流入口36b。此外，图2示出对应的流出管路37a、b位于射流泵4和旁路15的下游。流出管路37a、b在第二节点48的区域中汇合和/或相互流体连接并且与流出管路37的另一区域连接。
图2示出射流泵4和旁路15结构上耦合，优选地形成一个结构单元和/或布置在共同的基体8中。在此，射流泵4可以设计成用于低负载运行A(在图4中示出)，并且驱动介质的量控制，尤其在配量的范畴内可以通过第一配量阀10实现。此外，旁路15可以设计成用于高负载运行B(在图4中示出)，尤其当该旁路与射流泵4一起运行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16实现。在此，来自第二配量阀16的驱动介质沿第二流动方向IV至少部分地流过旁路15。旁路15在此具有相对于纵轴线至少近似旋转对称地延伸的孔19，其中，孔19至少近似地平行于第二流动方向IV延伸。在此，第二流动方向IV可以至少近似地平行于射流泵4的第一流动方向III延伸。此外，第一配量阀10和第二配量阀16可以至少几乎结构相同地构造。
在图3中示出根据本发明的用于运行燃料电池系统31中的装置1的运行方法300的可能构型。在此，运行方法300包括第一运行步骤301，其中在旁路15不激活的状态下和/或第二配量阀16关闭时射流泵4仅借助第一配量阀10和/或第二流入口36被供给以氢气、尤其驱动介质。然后，该驱动介质与再循环介质在射流泵4内混合并且两者都被射流泵4输送至燃料电池32。在第二运行步骤303中，射流泵4和旁路15同时运行，尤其通过打开第二配量阀16和因此驱动介质经由第二流入口36b流入到旁路15的孔19中。因此，在第二工作步骤303中，射流泵4借助第一配量阀10和/或第二流入口36a并且旁路15借助第二配量阀16和/或第二流入口36b被供给以氢气、尤其驱动介质。在第二运行步骤303之后的可选的第三运行步骤305中，第二配量阀16被关闭并且因此旁路15被停用。因此，射流泵4又仅借助第一配量阀10和/或第二流入口36被供给以驱动介质。
在图4中以函数图的形式示出装置1和/或燃料电池32的运行步骤301、302、303与运行范围A、B的对照。在此，时间t和/或运行方法300的时间顺序绘制在图的X轴上。而在Y轴上绘制借助装置1输送至燃料电池32的体积流Q和因此运行状态。
在此，在图4中示出处于装置1和/或燃料电池32的低负载运行范围A的区域中的第一运行步骤301和/或第三运行步骤305。在此，仅通过第一配量阀10实现驱动介质到燃料电池32的配量和压力调节。还示出了处于尤其燃料电池32的高负载运行B的区域中的第二运行步骤303，其中，在此通过第一和第二配量阀10、16实现驱动介质到燃料电池32的配量，并且其中，仅通过第二配量阀16实现压力调节。所示的曲线示出了燃料电池32对氢气和/或燃料的需求41。在第一运行步骤301期间，燃料电池32在低负载运行A下运行并且具有对氢气的低需求41。在此，图4示出射流泵4的最大输送量43，其相应于低负载运行A的体积流Q的最高值。还示出了由对应射流泵4和旁路15的最大可能输送量组成的满负载量44，其相应于高负载运行B的体积流Q的最高值。
为了改善在低负载运行A中的再循环性能，在此提出，旁路15与射流泵4并行地使用并且减小驱动喷嘴12和/或射流泵4。在此，驱动喷嘴12可以比用于在燃料电池32的高负载运行B中配量满负载量44所需地更小地设计，因为通过借助第二配量阀16的附加配量实现满负载量4。通过射流泵4的较小的驱动喷嘴12改善了射流泵4在低负载区域A中的再循环性能，因为在这里现在提供更多的喷射动量。因为射流泵4在满负载区域中的功率超出要求，所以通常可以接受在高负载区域B中由此形成的轻微恶化。在此，使用两个配量阀10、16，以便向射流泵4的驱动喷嘴12和旁路15分开地供给以氢气并且能够优化地调节燃料电池系统31。有利地，在高负载运行B中，射流泵4的阀完全打开地运行，以便实现最大的再循环性能。第二配量阀16仅配量附加地需要的燃料量。为了调节压力，在该区域中使用第二阀16。在低运行区域中，射流泵4的第一配量阀10被用于调节压力。
根据在图4中所示的对照，在第二运行步骤303中，第一配量阀10保持完全打开，而第二配量阀16为了调节压力节拍式地、尤其节拍式打开和关闭地被操控。
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进行修改。
Claims (11)
1.一种用于使阳极气体在燃料电池系统(31)的阳极回路中再循环的装置(1)，包括至少一个射流泵(4)，所述射流泵间接地被供应驱动介质、尤其从罐(34)经由罐管路(27)和/或第二流入口(36)供应，其中，所述至少一个射流泵(4)在入口侧具有第一配量阀(10)，并且其中，所述至少一个射流泵(4)经由至少一个连接管路(29)和至少一个回引管路(23)与燃料电池(32)至少间接地流体连接并且被供给以来自所述燃料电池(32)的未消耗的再循环物，其特征在于，所述装置(1)具有旁路(15)，所述旁路与所述射流泵(4)流体并行地布置和/或能够运行，其中，所述旁路(15)在入口侧具有第二配量阀(16)，其中，所述旁路(15)经由至少一个连接管路(29)和/或所述第二流入口(36)与所述罐(34)连接，其中，尤其所述旁路能够在高负载运行(B)时接通，使得所需的驱动介质的量在所述燃料电池(32)的高负载点时被供应给该燃料电池。
2.根据权利要求1所述的装置(1)，其特征在于，所述旁路(15)借助所述第二配量阀(16)被配量来自所述罐(34)的驱动介质。
3.根据权利要求1或2所述的装置(1)，其特征在于，所述旁路(15)和所述射流泵(4)位于所述装置(1)的共同的基体(8)中。
4.根据权利要求2至3中任一项所述的装置(1)，其特征在于，所述射流泵(4)设计成用于部分负载运行(A)并且在所述部分负载区域(A)中，通过所述第一配量阀(10)实现驱动介质的量控制、尤其在配量的范畴内。
5.根据权利要求4所述的装置(1)，其特征在于，所述射流泵(4)具有喷嘴(12)，其中，所述喷嘴(12)设计成，使得该喷嘴在所述高负载运行(B)期间不能提供由所述燃料电池(32)所需的驱动介质的量、尤其作为输送功率和/或呈体积流形式的流量。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的装置(1)，其特征在于，所述第二配量阀(16)与所述第一配量阀(10)至少几乎结构相同地构造。
7.一种用于运行燃料电池系统(31)中的根据权利要求1至6中任一项所述的装置(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，在所述旁路(15)不激活的状态下和/或所述第二配量阀(16)关闭时，所述射流泵(4)仅借助所述第一配量阀(10)和/或所述第二流入口(36a)被供给以氢气、尤其驱动介质，
-第二运行步骤(303)，在所述第二运行步骤中，所述射流泵(4)和所述旁路(15)同时运行，在所述第二运行步骤中，所述射流泵(4)借助所述第一配量阀(10)和/或所述第二流入口(36a)并且所述旁路(15)借助所述第二配量阀(16)和/或所述第二流入口(36b)被供给以氢气、尤其驱动介质，
-可选的第三运行步骤(305)，所述第三运行步骤在所述第二运行步骤(303)之后进行，在所述第三运行步骤中，所述第二配量阀(16)被关闭并且因此所述旁路(15)被停用，并且因此，所述射流泵(4)仅借助所述第一配量阀(10)和/或所述第二流入口(36a)被供给以驱动介质。
8.根据权利要求7所述的运行方法(300)，其特征在于，所述第一运行步骤(301)和/或所述第三运行步骤(305)处于低负载运行范围(A)的区域中、尤其所述燃料电池(32)的低负载运行范围(A)的区域中，其中，在此仅通过所述第一配量阀(10)实现驱动介质到所述燃料电池(32)的配量和压力调节。
9.根据权利要求7所述的运行方法(300)，其特征在于，所述第二运行步骤(303)处于高负载运行(B)的区域中、尤其所述燃料电池(32)的高负载运行(B)的区域中，其中，在此通过所述第一和第二配量阀(10、16)实现驱动介质到所述燃料电池(32)的配量，其中，仅通过所述第二配量阀(16)实现压力调节。
10.根据权利要求9所述的运行方法(300)，其特征在于，在所述第二运行步骤(303)中，所述第一配量阀(10)保持完全打开，而所述第二配量阀(16)为了调节压力而节拍式地、尤其节拍式打开和关闭地被操控。
11.一种燃料电池系统(31)，具有根据前述权利要求1至10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。
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