CN1832237A - 加压燃料的燃料设备 - Google Patents

Abstract

提出了一种带有燃料电池单元和/或者内燃机的燃料设备，其中设有一个将加压燃料供给燃料电池单元和/或者内燃机的燃料供给装置，并且燃料供给装置包括至少一个用于燃料压力能量的转换和利用的压力能量利用单元(1)，它可用较少的结构和经济花费制造。它根据本发明以这样的方式实现，压力能量利用单元(1)是一个用于产生机械能、包括至少两个被燃料流入、置于运动且相互啮合的齿轮(3)的齿轮机械装置(1)。

Description

加压燃料的燃料设备

技术领域

本发明涉及到一种根据权利要求1前序部分所述的带有燃料电池单元和/或者内燃机的燃料设备，其中设有一个用于将压力加载燃料输送到燃料电池单元和/或者内燃机的燃料供给装置。

背景技术

通过对降低排放的新型汽车驱动装置的公开讨论，例如零排放车辆(ZEV)，化石资源的保护等等，对氢作为未来载能体的兴趣明显增加。氢例如可以要么在内燃机中、要么在燃料电池中转换。在燃料电池中化学化合能直接转变为电能，它重又借助于电动机转换成机械驱动能量。

氢原则上具有可再生制备、以及无有害物质和无CO₂燃烧或者转换的可能性。此外燃料电池的其它燃料已经在使用。

氢要么可以气体的形式、尤其是在压力罐中贮存，要么以液体的形式在大约-253℃的低温罐中贮存。由于每天1％到2％的蒸发损失，大多数燃料电池汽车开发者偏爱压力罐。相应的压力罐目前蓄能器压力设计为大约350巴。通过新型复合材料可以实现高达700巴的蓄能器压力。

在350巴的适度压力下制备的压缩氢已是大家所普遍熟悉的了。在氢由碳氢化合物，尤其是通过蒸汽重整或者氧化裂解进行工业生产时，氢大多数是在20巴和40巴之间的压力时供使用。然后借助于多级压缩机，氢达到350巴或者甚至700巴的蓄能器压力。这个过程至少使用贮存氢的5％到10％的能量。

例如聚合物电解质膜燃料电池(PEM-BZ)，阳极由蓄能器供应氢，它在燃料电池前应该用水润湿。PEM-BZ原则上也可以在大约1巴的环境压力时工作。然而PEM燃料电池在提高的大约3巴压力下工作时，燃料电池效率更高。

氢内燃机与氢燃料电池系统相比优点是结构简单、成本低廉和证明技术可靠。氢为此同样通过节流阀由蓄能器减压，并且与吸入空气一起在活塞式发动机中燃烧。然而效率低于在燃料电池系统中的效率。

压力从蓄能器压力降低到燃料电池或者发动机的工作压力，通常借助于减压阀来实现。然而在这种情况下在氢压缩时所耗费的能量被无益的损失了。

此外根据DE 10154637 A1，用于在氢压缩时耗费的能量回收的透平机已是大家所熟悉的。在这种情况下膨胀能量用于透平机的驱动，并且借助于发电机产生电能。然而在这种情况下的缺点是，这类机组需要高的结构和经济费用。

发明内容

相反本发明的任务是提出一种可用明显低的结构和经济花费制造的带有燃料电池单元和/或者内燃机的燃料设备，其中设有用于将加压的燃料、尤其是燃气供给燃料电池单元和/或者内燃机的燃料供给装置，并且燃料供给装置包括至少一个用于燃料压力能量的转换和利用的压力能量利用单元。

该任务从开头所提到类型的燃料设备出发，通过权利要求1的特征性特征解决。通过在从属权利要求中所提到的措施可以实现本发明的优选的实施方案和改进方案。

与此相应的根据本发明的燃料设备突出的是，压力能量利用单元是一个用于产生机械能、至少包括两个有燃料流入的置于运动且相互啮合的齿轮的齿轮机械装置。相应的齿轮机械装置特别是齿轮马达与透平机相比结构明显简单，并且同时成本低廉。与此相应的与现有技术相比，借助于本发明不仅降低了结构费用而且降低了经济花费。因此根据本发明以特别有利的方式回收了在氢或者燃料压缩时耗费的能量的一部分。尤其可以利用燃料的膨胀或者移动功。

燃料使齿轮处于旋转，其中两个齿轮或者它的轴被有利的支撑，并且布置在壳体之内，其中在壳体和齿轮之间，加压的燃料流过齿轮机械装置。

首先齿轮机械装置的两个齿轮优选形状配合地相互啮合，并且尤其是以高的运行可靠性和长的寿命无滑动的工作。齿轮机械装置尤其是以少的保养和比较大的转速范围以及小的结构尺寸和良好的效率突显出其优势。尤其是齿轮机械装置可以是外齿轮机械装置，内齿轮机械装置或者是内齿圈机械装置。

压力能量利用单元优选具有至少一个用于产生电能的发电机。以此获得的能量以有利的方式下用于继续使用。

在本发明的一个特殊实施方式中，在燃料流中的压力能量利用单元布置在燃料蓄能器和燃料电池单元之间。

优选沿着燃料的流动方向，在齿轮机械装置之后布置至少一个用于燃料加热的加热装置。以此使在膨胀中冷却的燃料可以加热。例如有效的防止了氢气的过度冷却。加热装置优选是用于冷或者热流体加热的热交换器单元。例如借助于相应的热交换器“冷能”可使用在空调等装置上。此外例如可以实现燃料设备和/或者相应装备汽车的部件的冷却。

在本发明的一种优选的方案中，设有至少一个用于齿轮机械装置的旁通回路。由此可以满足特别大的通流带宽。优选旁通回路尤其要具有定量阀和/或者减压阀或者这一类的装置。

压力能量利用单元优选是带有至少两个不同压力区的齿轮机械装置的多级压力能量利用单元。因此压力能量利用单元可有利的适应尤其是例如来自放空的蓄能器的变化的压力。

在本发明的优选的实施方式中，齿轮机械装置至少有时候串联。这意味着加压的燃料例如在第一齿轮机械装置中膨胀到一个较低的压力水平，并且紧接着借助于第二齿轮机械装置可以膨胀到第二个更低的压力水平。基本上可以设有多于两个的、尤其是串联的齿轮机械装置，以使多级压力能量利用单元可在有利的方式下运行。

在本发明的一种特殊的改进方案中，至少两个，尤其是所有齿轮机械装置布置在一个共同的传动轴上。由此尤其是降低了结构花费。此外以此可以实现齿轮机械装置特别紧凑的布置。

在本发明的一种优选方案中，设有至少一个根据燃料压力将燃料分配到齿轮机械装置上的分配单元。例如第一齿轮机械装置仅仅在上部压力区运行，并且借助于分配单元在燃料的下部压力区可以停止使用。与此相反，借助于分配单元另外的或者第二或者第三等齿轮机械装置在可能的情况下，可在上部和/或者在一个或者多个中部的和/或者在下部的压力区运行。根据本发明分配单元以有利的方式控制或者决定各个齿轮机械装置的运行。

分配单元可以是用于齿轮机械式装置和/或者多个调节阀或者控制阀或者这一类装置控制的电子控制单元。

分配单元优选具有至少一个布置在一个缸体中的、可调整的或者可移动的活塞，用于打开和/或者关闭至少两个分别与一个齿轮机械装置对应配置的排出孔。因此在不同的压力区，可以气动控制或者借助于燃料压力几乎自动的将燃料分配到各个齿轮机械装置。以此根据本发明简化了控制或者确切的说是控制系统。

排出孔优选在分配单元的径向和/或者轴向方向至少部分错位布置。这种措施使仅仅在一个确定的燃料压力区才能使各个与相应的齿轮机械装置对应配置的排出孔以有利的方式打开或者关闭。

在本发明的特殊的实施方式中，排出孔沿着活塞的移动方向和/或者沿着分配单元的轴向方向至少部分重叠布置。借助于重叠可以保证，齿轮机械装置的两个压力区至少部分重叠，由此可以保证从一个压力区到另一个压力区的有利的过渡。

附图说明

本发明的一种实施例在附图中示出，并且接下来借助于附图详细说明。

如图所示：

图1所示是一个根据本发明的齿轮机械装置的示意剖面图；

图2所示是一个根据本发明的、带有第一分配单元的多级压力能量利用单元的示意方框图；并且

图3所示是第二分配单元示意表示的细部图。

具体实施方式

在图1中示意表示了一个带有壳体2和两个相啮合的齿轮3的齿轮机械装置1。齿轮机械装置1具有一个高压侧进口4和一个低压侧出口5。

在齿轮机械装置1用燃料或者氢流过时，齿轮3沿着图示的箭头方向旋转。

在图2中所示是示意表示的带有多级压力膨胀的齿轮机械装置系统。在这里分配单元6将燃料分配到例如三个布置在共同传动轴7上的齿轮机械装置1上。为了产生电能传动轴7可与一台发电机相连接，这一点没有进行详细的图示。

为了给由于膨胀而冷却的燃料或者氢加点热，在齿轮机械装置1之间可分别布置一个热交换器8或者一个加热单元8。由此可以促进单个部件的冷却，例如大功率电子元件、比如控制单元的冷却、燃料电池和/或者相应的汽车空调或者这一类物体的冷却，这没有进行详细的图示。

此外为了阻止燃料或者氢回流到在各自较高的压力下运行的膨胀单元中，在齿轮机械装置1之间分别设有一个止回阀9。

此外设有一个回流管或者压力平衡管10，它将第三个或者最后一个齿轮机械装置1的出口5与分配单元6以有利的方式相连接。由此分配单元6的可移动活塞11可用第三齿轮机械装置1的残余压力作用在它此外被弹簧12支撑的一侧。例如未详细表示的蓄能器的高压位于活塞11的另一侧。

例如在图3中详细示出了一个分配单元6，其中为了清楚明了的原因，在图3a和3c中活塞11画在了分配单元6的旁边。图3a象征性的表示了在最大压力下、或者确切的说是在装满的蓄能器下活塞11的位置，图3c象征性的表示了在最小压力下、或者确切的说是在排空的蓄能器下活塞11的位置。

例如分配单元6的缸体13具有三个孔或者确切的说是排出孔14、15、16，它们分别与齿轮机械装置1相连接。此外缸体13具有选择设置的末端挡块21和/或者22，由此活塞11的各个终端位置可以有利的方式确定。

活塞11的端面优选包括一个盖板23，并且圆周面包括一个空心圆筒24。在高压侧活塞11是敞开的。活塞11的空心圆筒24具有三个孔或者排出孔17、18、19，它可与分配单元6的有利布置的孔14、15、16相对应。排出孔17、18、19必要时可以借助于密封件20以有利的方式进行密封。密封20例如可以是合成橡胶密封件20和/或者迷宫式密封件20。

接下来将详细说明分配单元6的工作原理：

在最大的压力加载下活塞11用它的盖板23碰在末端挡块21上，这时活塞11的孔17连通缸体13的孔14。缸体13的两个孔15和16通过活塞11的空心圆筒24关闭。

在来自未详细图示的蓄能器的燃料压力下降时，活塞11主要由于弹簧12的弹簧力或者由于借助于管路10作用在活塞11的低压侧上的低压侧的较低压力而滑动。在这种情况下活塞11朝着高压侧移动，此外在此期间长孔17或者孔17在第一运行阶段使缸体13的孔14畅通。

从确定的移动路程起或者从第二运行阶段起，空心圆筒24的孔18或者长孔18连通缸体13的孔15。一般由于孔14、15、16的有利布置产生孔17到19的重叠区域。在活塞11沿着分配单元6的高压侧方向继续移动时缸体13的孔14关闭，它结束了第一运行阶段。

在高压继续降低时，活塞11继续朝着分配单元6的高压侧滑动，直到缸体13的孔16通过孔19或者长孔19连通。该滑移进行到活塞11的最大移动路程25，这样活塞11在终端位置碰到挡块22(参见图3c)。在活塞11的终端位置仅仅缸体13的孔16通过长孔19连通。

为了防止在分配单元6以最大压力充满时，例如在重新灌满的高压蓄能器下，孔16、15、14交替连通，可以有利的方式在朝着低压侧移动时，活塞11特别是可以在滑轨单元或者这一类的机构上有利地径向旋转，以使孔14、15、16不通过孔17、18、19连通。

分配单元6或者说是缸体13和活塞11具有圆形的横截面，以使可以在缸体13内实现活塞的有利的径向移动。例如借助于上面提到的滑轨系统或者这一类的机构沿着径向方向进行大约60度的移动，以使孔14到19在活塞11朝着低压侧移动时不会叠合。如在排空时所必需的，在活塞11朝着高压侧移动时，借助于一个相应的优选的滑轨系统或者类似机构将活塞11重新以上面所描述的方式径向移回到初始位置或者排空位置。

一般根据本发明齿轮机械装置或者齿轮马达1作为膨胀单元1的使用可以在有利的方式下实现。尤其是在这种情况下通过将压力变化功转换成齿轮机械装置1的旋转运动的方法，压力变化功的位能可以得到利用。这一旋转运动可以优选通过一个未详细描述的、例如连接在齿轮机械装置1的轴7上的发电机得到有利的利用。通过直接与齿轮机械装置1连接的发电机的运行，可以实现用于燃料电池系统中和/或者内燃机汽车中附加用电器的能量的产生。

例如通过70kWel燃料电池系统从300巴到30巴时氢的膨胀，在全负载点，在50％的机器效率下，可回收大约1.5kW的电功率。此外较大压差的充分利用，例如向下直到大约3巴，功率还可以提高。这可以特别有利的形式通过多级降压来实现。出于结构简单的原因，各个膨胀级应布置在一个共同的轴7上。齿轮马达1构造非常紧凑是有利的，并且在有利的方式下可以将齿轮机械装置1和发电机安置在一个共同的壳体中。而且为此整个组合部件的密封的紧密性可以特别简单地实现。

原则上可以将来自蓄能器的氢直接或者通过关闭阀或者这一类的装置供给齿轮机械装置1。借助于齿轮机械装置1压力降低到额定压力。额定压力通过优选的压力传感器或者这一类的装置在齿轮机械装置1之后确定。用法兰连接在齿轮机械装置1上的发电机将在有利的方式下调整到相应的转速。以此得出相应调到的额定压力。发电机的电功率在汽车电路中供给。

此外为了防止位于后面的组件可能出现的压力峰值，可在膨胀单元的排放端布置一个附加的压力调节阀或者限压阀。

分配单元6或者说是高压阀6根据所受的压力连通不同的通路或者孔14、15、16，其通向不同的减压级或者齿轮机械装置1(参见图2)。在这种情况下通过弹簧12施加反压。弹簧12位于相对高压侧密封的空间里，其中存在低压侧的压力。低压侧的压力不能克服更高的压力移动活塞。它应该是仅仅起到不出现真空，即压力平衡的功能。

减压级1的一个或者多个排出孔14到19在至少一个位置上位于可移动活塞11中。它们也可以径向错位布置。在这种情况下尤其有利的是排出孔14到16足够小，以便在移动活塞11中建立起压力。根据减压级1排出孔14到19也可以具有不同的大小。要尽可能考虑在高压、排出孔14到19以及弹簧力之间的协调。

除了借助于弹簧12的被动控制或致动之外，尤其是借助于压力传感器也可以实现分配单元6的主动致动。

分配单元6、齿轮机械装置1或者多个齿轮机械装置1、发电机和相应的用于中间加热的热交换器8优选集成在一个唯一的模块中或者是一个共同的结构单元上。

作为可能的方案，尤其是其它的辅助机组也可以通过齿轮机械装置1驱动。例如在燃料电池汽车中，空气压缩机或者这一类的装置可通过齿轮机械装置1来驱动。

为了保障燃料电池或者内燃机的压力水平设有一个优选的稳压阀或者这一类的装置，它将齿轮机械装置1之后的压力限制在一个对于燃料电池大约1到3巴的可变额定压力上。

为了通过齿轮机械装置1满足大的通流带宽，有利的是齿轮机械装置1设计成在运行时经常出现的流量的部分区域。在这种情况下可在有利的方式下并行于齿轮马达1设有减压阀或者这一类的装置。

压力传感器并且可能的话控制单元或者带有整流器的调节单元可以装在机器中。

由于膨胀产生的冷能即可以用于空调也可用于其它机组的冷却，如大功率电子元件或者这一类装置。

此外弹簧12例如也可以布置成多级的或者分级的。这意味着根据待打开的通道在移动路程上可得到其它的弹簧力。它可有利的改变在各个排出孔14到19之间的开关能力。例如一个软的或者一个硬的弹簧12可以相互串联连接。

分配单元6也可以是主动阀，按照借助于压力传感器测量的压力连通到多级齿轮膨胀机械装置的各个通道。

不同膨胀级的各个齿轮机械装置可附加的通过止回阀9防止介质逆着流动方向回流。

Claims (11)

1.燃料设备，带有燃料电池单元和/或者内燃机，其中设有一个用于将加压燃料供给燃料电池单元和/或者内燃机的燃料供给装置，并且燃料供给装置包括至少一个用于燃料压力能量的转换和利用的压力能量利用单元(1)，其特征在于，压力能量利用单元(1)是一个用于产生机械能，包括至少两个被燃料流入、置于运动且相互啮合的齿轮(3)的齿轮机械装置(1)。

2.根据权利要求1所述的燃料设备，其特征在于，所述压力能量利用单元(1)具有至少一个用于产生电能的发电机。

3.根据前述权利要求中任一项所述的燃料设备，其特征在于，沿着燃料的流动方向，在齿轮机械装置(1)之后布置至少一个用于燃料加热的加热装置(8)。

4.根据前述权利要求中任一项所述的燃料设备，其特征在于，设有至少一个齿轮机械装置(1)的旁通回路。

5.根据前述权利要求中任一项所述的燃料设备，其特征在于，所述压力能量利用单元(1)是带有至少两个用于不同压力区的齿轮机械装置(1)的多级压力能量利用单元(1)。

6.根据前述权利要求中任一项所述的燃料设备，其特征在于，所述齿轮机械装置(1)至少有时串联连接。

7.根据前述权利要求中任一项所述的燃料设备，其特征在于，所述齿轮机械装置(1)具有一个共同的传动轴(7)。

8.根据前述权利要求中任一项所述的燃料设备，其特征在于，设有至少一个根据燃料压力将燃料分配到齿轮机械装置(1)上的分配单元(6)。

9.根据前述权利要求中任一项所述的燃料设备，其特征在于，所述分配单元(1)具有至少一个可移动的活塞(11)，用于打开和/或者关闭至少两个各自分配给齿轮机械装置(1)的排出孔(14到19)。

10.根据前述权利要求中任一项所述的燃料设备，其特征在于，所述排出孔(14到19)在分配单元(6)的径向和/或者轴向方向至少部分错位布置。

11.根据前述权利要求中任一项所述的燃料设备，其特征在于，所述排出孔(14到19)沿着分配单元(6)的轴向方向至少部分重叠布置。

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