燃料電池系統和用于運行燃料電池系統的方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種尤其是用于機動車的燃料電池系統和一種用于運行燃料電池系統的方法。
【背景技術】
[0002]燃料電池系統在機動車中用于產生電能。電能例如用于驅動機動車。為了運行燃料電池，需要氫氣。液態或氣態形式的氫氣的存儲是昂貴且危險的。作為替代方案，可使用載液來存儲氫氣。儲有氫氣的載液可存儲在普通的儲箱中并且如傳統的燃料那樣進行添加。載有氫氣的載液必須被加熱到一定溫度，以便使氫氣能夠從載液中分離。
【發明內容】
[0003]本發明的任務在于，提供一種尤其是用于機動車的燃料電池系統，其能夠在成本有利地制造且運行安全的同時盡可能有效地利用氫氣。尤其是應盡可能節能地且運行安全地加熱載有氫氣的載液。另外本發明的任務在于，提供一種用于運行燃料電池系統的相應方法。
[0004]該任務通過獨立權利要求來解決。從屬權利要求的技術方案分別是本發明的有利方案。
[0005]因此，該任務通過一種燃料電池系統來解決，其包括儲箱、分離裝置、燃料電池和加熱裝置。儲箱用于容納載有氫氣的載液。作為載液尤其是使用咔唑。借助分離裝置可從載液中分離氫氣。在燃料電池中借助氫氣和環境空氣產生電能。電能尤其是用于驅動機動車。加熱裝置用于加熱載液、尤其是將其加熱到150°至250°C，以便使氫氣能夠在分離裝置中分離。在根據本發明的燃料電池系統中，可借助加熱裝置加熱載液、尤其是在冷起動時極為有效且迅速地加熱載液。為此，加熱裝置具有三個熱交換器，它們可在本發明的范圍中單個地或彼此組合地被使用。第一熱交換器利用已經釋放出氫氣的熱的載液。因此，在第一熱交換器中利用載液回流管的熱量來加熱來自儲箱的、尚載有氫氣的載液。附加或替代地設置第二熱交換器。該第二熱交換器利用燃料電池的廢熱。附加或替代地設置第三熱交換器。在第三熱交換器中利用壓縮的進風的熱量來加熱載液。為了運行燃料電池，壓縮環境空氣，在此產生熱量。在第三熱交換器中可直接從壓縮器獲取熱量或從壓縮的進風獲取熱量。在根據本發明的燃料電池系統中，能使用所述三個熱交換器中的僅一個、所述三個熱交換器中的兩個或全部三個熱交換器。根據載液、燃料電池和壓縮的進風的溫度選擇用于加熱載液的三個熱交換器的順序。通過燃料電池系統中相應的管路和閥能使用熱交換器的不同順序。
[0006]優選設有電加熱裝置。借助該電加熱裝置可在分離裝置上游進一步加熱載液。電加熱裝置尤其是設置在各所述熱交換器下游和分離裝置上游。當所使用的熱交換器不能充分加熱載有氫氣的載液時，可借助電加熱裝置在分離裝置上游進一步加熱載液。
[0007]載液回流管尤其是從分離裝置通往收集容器。在分離裝置和收集容器之間，載液回流管可轉入第一熱交換器中。
[0008]第一熱交換器優選設置在第二熱交換器和/或第三熱交換器上游，從而首先利用載液回流管的熱量并且隨后在裝有第二或第三熱交換器的情況下利用燃料電池的熱量或進風的熱量。
[0009]優選設置第四熱交換器。該第四熱交換器也利用載液回流管的熱量。第四熱交換器設置在第二熱交換器和/或第三熱交換器下游。由此在載液回流管中的溫度相應高時也可在第二或第三熱交換器之后再次利用載液回流管的溫度。
[0010]代替使用第四熱交換器，也可通過相應的閥和管路選擇性地在第二或第三熱交換器上游或下游使用第一熱交換器。
[0011]第二熱交換器尤其是直接集成在燃料電池中。這意味著，在第二熱交換器中載有氫氣的載液穿過燃料電池。
[0012]本發明還包括一種用于運行燃料電池系統的方法，包括以下步驟:借助燃料電池的廢熱(第二熱交換器)和/或借助壓縮的進風(第三熱交換器)加熱載有氫氣的載液。在加熱之前和/或之后可利用載液回流管的熱量進行附加加熱，即所謂的預加熱或再加熱，因此可借助載液回流管“預加熱”載有氫氣的載液。附加或替代，可“再加熱”載有氫氣的載液。可借助一個相應接線的熱交換器(第一熱交換器)或借助兩個分開的熱交換器(第一和第四熱交換器)實現預加熱和再加熱。
[0013]作為載液，優選使用咔唑。
[0014]在根據本發明的燃料電池系統的范圍中所描述的從屬權利要求和有利方案也可相應有利地用于根據本發明的方法。
[0015]優選為本方法設置下述運行策略:首先將截止一節流閥關閉并且以高負荷運行用于進風的壓縮機。進風在此被加熱到100°c以上。冷卻回路加熱冷卻水并且增壓空氣冷卻器將溫度降低至90°c。燃料電池的膜片在運行極限的范圍內被加載熱空氣。熱的進風在此迅速加熱膜片并且運走反應水以及避免霜水形成。增壓空氣冷卻器的廢熱用于加熱燃料電池和車輛。此外，廢熱也用于預加熱用于預加熱內部空間的高壓電池以及用于預加熱用于電動馬達和/或功率電子裝置的冷卻回路。附加的壓縮機功率用作燃料電池的負載輸出，以避免發熱電阻。
【附圖說明】
[0016]本發明其它細節、特征和優點由后續說明和附圖得出。附圖如下:
[0017]圖1為根據實施例的本發明燃料電池系統的示意圖。
【具體實施方式】
[0018]圖1以是示意圖示出根據實施例的燃料電池系統I。該燃料電池系統I用于機動車中。
[0019]燃料電池系統I包括燃料電池2、分離裝置3、儲箱4和收集容器5。儲箱4儲有載有氫氣的載液。載液沿輸入管8被加熱并且以大約200°C到達分離裝置3。在分離裝置3中氫氣從載液中被分離并且經由氫氣管路7供應給燃料電池2。已去氫的載液通過載液回流管6從分離裝置3排入收集容器5中。
[0020]沿在儲箱4和分離裝置3之間的輸入管8設有多個用于加熱載液的裝置:第一熱交換器11利用載液回流管6的熱量來加熱輸入管8中的載有氫氣的載液。第二熱交換器12集成到燃料電池2中。在第二熱交換器12中，載有氫氣的載液穿過燃料電池2并且因此被加熱。第三熱交換器13利用壓縮的進風或相應壓縮機的廢熱。在第四熱交換器14中，再次利用載液回流管6中的熱量來加熱。通過電加熱裝置15使用電能來加熱載有氫氣的載液。
[0021]四個熱交換器11至14以及電加熱裝置15可被單獨地或組合地使用。根據本發明至少使用第一熱交換器11、第二熱交換器12或第三熱交換器13。
[0022]第一熱交換器11，第二熱交換器12和第三熱交換器13的順序是任意的并且最終取決于載液回流管6、燃料電池2和進風中的熱量。優選選擇圖1中所示的順序。
[0023]代替使用第四熱交換器14，可使用第一熱交換器11，其中，通過適合的閥和控制機構控制輸入管8和載液回流管6。
[0024]尤其是在燃料電池系統I的起動過程中，首先使用第一熱交換器11。當載液回流管6中的溫度相應高時，可替代或附加于第一熱交換器11使用第四熱交換器14。
[0025]附圖標記列表
[0026]I 燃料電池系統
[0027]2 燃料電池
[0028]3 分離裝置
[0029]4 儲箱
[0030]5 收集容器
[0031]6 載液回流管
[0032]7 氫氣管路
[0033]8 輸入管
[0034]11 第一熱交換器
[0035]12 第二熱交換器
[0036]13 第三熱交換器
[0037]14 第四熱交換器
[0038]15 電加熱裝置
【主權項】
1.燃料電池系統(I)，尤其是用于機動車，該燃料電池系統包括用于容納載有氫氣的載液的儲箱(4)、用于從載液中分離氫氣的分離裝置(3)、用于從氫氣產生電能的燃料電池(2)和用于加熱載有氫氣的載液的加熱裝置，所述加熱裝置包括用于借助載液回流管(6)加熱載液的第一熱交換器(11)和/或用于借助燃料電池(2)的廢熱加熱載液的第二熱交換器(12)和/或用于借助壓縮的進風加熱載液的第三熱交換器(13)。
2.根據權利要求1的燃料電池系統，其特征在于，設有用于加熱載有氫氣的載液的電加熱裝置(15)。
3.根據權利要求2的燃料電池系統，其特征在于，用于加熱載液的電加熱裝置(15)設置在第一、第二和第三熱交換器(11、12、13)下游。
4.根據前述權利要求之一的燃料電池系統，其特征在于，所述載液回流管(6)將載液在分離之后從分離裝置(3)導向收集容器(5)。
5.根據前述權利要求之一的燃料電池系統，其特征在于，用于加熱載液的第一熱交換器(11)設置在第二熱交換器(12)和/或第三熱交換器(13)上游。
6.根據前述權利要求之一的燃料電池系統，其特征在于，設有用于借助載液回流管(6)加熱載液的第四熱交換器(14)，用于加熱載液的第四熱交換器(14)設置在第二熱交換器(12)和/或第三熱交換器(13)下游。
7.根據前述權利要求之一的燃料電池系統，其特征在于，所述第二熱交換器(12)集成在燃料電池(2)中，因而載液在第二熱交換器(12)中穿過燃料電池(2)。
8.用于運行燃料電池系統(I)的方法，包括以下步驟: 借助燃料電池(2)的廢熱和/或借助壓縮的進風加熱載有氫氣的載液，并且 在借助燃料電池(2)的廢熱加熱之前和/或在借助壓縮的進風加熱之前，借助載液回流管(6)預加熱載有氫氣的載液，和/或 在借助燃料電池(2)的廢熱加熱之后和/或在借助壓縮的進風加熱之后，借助載液回流管(6)再加熱載有氫氣的載液。
9.根據權利要求8的方法，其特征在于，使用咔唑作為載液。
【專利摘要】本發明涉及一種尤其是用于機動車的燃料電池系統，其包括用于容納載有氫氣的載液的儲箱、用于從載液中分離氫氣的分離裝置、用于從氫氣產生電能的燃料電池和用于加熱載有氫氣的載液的加熱裝置，所述加熱裝置包括用于借助載液回流管加熱載液的第一熱交換器和/或用于借助燃料電池的廢熱加熱載液的第二熱交換器和/或用于借助壓縮的進風加熱載液的第三熱交換器。
【IPC分類】C01B3-00, H01M8-06, B60L11-18, H01M8-04
【公開號】CN104781102
【申請號】CN201380058907
【發明人】M·鮑爾, A·布赫納, S·哈斯, M·舍雷爾
【申請人】寶馬股份公司
【公開日】2015年7月15日
【申請日】2013年11月8日
【公告號】DE102012222105A1, EP2925555A1, US20150263363, WO2014086550A1