空间优化使用的燃料电池系统反应气体容器技术方案

本发明专利技术涉及一种燃料电池系统反应气体容器(1)，其包括用于储存液态氢的氢罐(10)和用于储存液态氧的氧罐(30)，并且可选地包括用于储存液态或气态氮的氮罐(20,29)，其中所述氢罐(10)位于所述氧罐(30)内，并且所述氧罐(30)被隔热体(40)包围。反应气体容器(1)优选地包括氮罐(20)，其中氢罐(10)位于氮罐(20)内。本发明专利技术还涉及燃料电池系统和具有燃料电池驱动器的运载工具，其中燃料电池系统(2)和运载工具包括根据本发明专利技术的反应气体容器(1)。

Fuel cell system reaction gas container for space optimization

The invention relates to a fuel cell system reaction gas container (1), which includes a hydrogen storage tank of liquid hydrogen and oxygen (10) for storing tank Liquid Oxygen (30), and optionally includes a nitrogen storage tank of liquid or gaseous nitrogen (20,29), wherein the hydrogen tank (10) is located in the the oxygen tank (30), and the oxygen tank (30) is surrounded by insulating body (40). The reaction gas container (1) preferably includes a nitrogen tank (20), wherein the hydrogen tank (10) is located within the nitrogen tank (20). The invention also relates to a fuel cell system and a vehicle having a fuel cell drive, wherein a fuel cell system (2) and a vehicle including a reaction gas container (1) according to the present invention.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术的主题是用于燃料电池系统的反应气体容器，包括反应气体容器的燃料电池系统，以及包括燃料电池驱动器和反应气体容器的运载工具(例如自主水下航行器)。反应气体容器具有确保空间优化使用的结构。本专利技术的燃料电池系统使用氢作为燃料并使用氧或空气作为氧化剂。
技术介绍
燃料电池在水电解的逆转中由化学能产生电能。通过连续供应待氧化的物质(氢)和氧化剂(氧或空气)并通过氧化产物的连续排放，单个电池连续地输送电流。各种类型的燃料电池以及其构造和运行模式本身是已知的。燃料电池适合于为任何种类的消费者或负载产生电流。它们以环保的方式，可靠且高效地提供所需的功率输出。为了运行燃料电池，有必要在存储容器中提供至少一种反应气体(氢气)，即在移动系统中，该存储容器必须被携带。此外，在偶尔的情况下不能从环境中提取氧或空气，例如在诸如水下航行器的封闭系统中。在这种情况下，必须另外携带氧或空气。氢和氧或空气的储存相对于由此可获得的功率输出需要相对大的空间。然而，可用空间通常受到限制，并且实际上不足以存储燃料电池系统的期望功率输出和运行持续时间所需的反应气体的量。
技术实现思路
因此，本专利技术的目的是优化燃料电池反应气体氢和氧或空气的存储，并提供占用尽可能小的空间的燃料电池反应气体容器。本专利技术的另一个目的在于提供具有空间优化的反应气体供应的燃料电池系统，即燃料电池系统，其中燃料电池的连续运行所需的反应气体需要尽可能小的存储空间。本专利技术的另一个目的在于提供一种燃料电池运行的运载工具，其中燃料电池运行所需的气体以空间优化的方式被容纳或能够被容纳。这些目的通过包括根据权利要求1的特征的燃料电池反应气体容器，包括根据权利要求13的特征的燃料电池系统以及包括根据权利要求15的特征的运载工具来实现。本专利技术的实施例反映在各个的从属权利要求中。本专利技术使用氢和氧作为反应气体，优选氢和合成空气，合成空气优选地具有20-60体积％的氧含量。在将合成空气供应到燃料电池系统之前，合成空气以期望的比例由氮和氧混合。然而，作为替代，也可以使用纯氧作为反应气体。根据本专利技术，一种特别构造的容器被用于储存反应气体。容器设计成使得氢和氧可以以液态填充并存储。可选地，还可以将液态或气态的氮储存在容器中。在容器中，液态的气体各自与它们的气态平衡。用于产生空气的氮和氧的混合在气体状态下在容器外部进行。由于气体和液体的显著不同的密度，与以气态存储相同气体相比，以液态存储气体允许极大地节省体积。然而，液化氢、氧和氮以及使这些气体保持在液体状态需要非常低的温度，该温度取决于所施加的压力，并且在高于气体的临界温度时，无论施加压力的大小，液化是根本不可能的。氧、氮和氢的相关物理性能如下表所示。图中所示的沸腾温度以及所示的密度分别在其标准条件下获得。从填充反应气体容器的时间到要执行的任务结束，即直到燃料电池系统不再必须输送输出为止，将反应气体保持在液体状态是必要的。这样的任务可以持续几个小时，例如2或3或4小时或者也可以持续几天。采用相应地大的反应气体容器，还可以储存用于更长时间周期的反应气体，例如2或3周。与较小的反应气体容器相比，大的反应气体容器具有相对较低的汽化速率的优点。由于缺乏空间，排除了反应气体的主动冷却。此外，主动冷却将消耗额外的能量。因此，必须通过适当的隔热体来确保液体状态在所需时间段内的维持，由于隔热体也需要空间，这是不利的。根据本专利技术，利用反应气体的不同的沸腾温度和临界温度来利用反应气体作为彼此相互的隔热材料。这通过根据本专利技术的反应气体容器以“组合反应气体容器”的形式的特殊构造而成为可能。通过该解决方案，各个存储容器(罐)彼此“嵌套”。具有最低沸点的气体，氢气，总是储存在最内部的存储容器(氢罐)中。在本专利技术的最简单的实施例中，氢罐由用于储存氧的容器(氧罐)包围，即氢罐位于氧罐内。为了储存氧，存在未被氢罐占据的体积。氧罐又被隔热体包围。隔热体可以以包围氧罐的附加容器的形式被提供，即氧罐位于隔热容器内部。隔热效果优选地通过抽真空隔热容器或未被氧罐占据的空间来实现。作为替代，隔热容器或未被氧罐占据的空间也可以填充有气态或液态氮。根据另一替代方案，也可以通过包围氧罐的保冷来实现隔热。可行的保冷材料本身是已知的，例如聚苯乙烯泡沫或膨胀的软木石板。当燃料电池系统要用合成空气运行时，所必需的氮气的储存在单独的存储容器(例如常规的加压气体容器)中或者组合反应气体容器中进行。优选在组合反应气体容器中储存氮。根据本实施例，根据本专利技术的反应气体容器还包括在氧罐内的用于液氮的罐，并且氢罐位于氮罐内。在外周处，又设置有隔热体，例如以被抽真空的容器的形式。反应气体容器因此具有洋葱状结构：用于储存氢的容器被用于储存氮的容器包围，该用于储存氮的容器又被用于储存氧的容器包围，后者由被抽真空的容器包围。优选地，每个罐由相应的外部罐或相应的隔热体完全地包围。因此，每个罐完全地位于另一个罐内或隔热外壳内。术语“完全地”应被理解为这样的效果：由导管带来的中断是可接受的，即，到内部罐的导管可以穿过外部罐和隔热体，例如用于气体的填充/导出导管和/或用于传感器(如压力传感器)的信号传输线。根据本专利技术的实施例，各个罐被分别地制造并组装或焊接在一起；自然地，只有内部罐可以由单件制成。在本实施例中，除最内部罐以外的每个罐具有内壁和外壁，罐的内壁构成容纳下一个内部罐的腔。根据不同的实施例，各个罐被形成仅在反应气体容器的制造工艺的过程中通过利用另一外壳来包围相应的完成的罐而形成另一个罐。因此，各个罐在向外方向上增加尺寸，而可用于储存气体的空间仅仅是被包围的罐的壁和用来包围的罐的壁之间的空间。在各个罐(即氢罐和氧罐或氢罐、氮罐和氧罐)之间，可以提供附加的隔热体，每个，例如，是以被抽真空的容器的形式。反应气体容器的形状，特别是反应气体容器的外部构型，优选地与其中将安装反应气体容器的运载工具或其它装置中的空间的形状相匹配。根据本专利技术的具有优化使用空间的反应气体容器以特别有利的方式用于载人或无人(自主)水下航行器中。这种水下航行器为具有基本圆形横截面的细长形状(“雪茄形状”)。因此，根据本专利技术的反应气体容器，至少关于其外部尺寸，也将被设计为“雪茄形状”，并且优选地以最适宜的方式填充可用的安装腔。内部罐的形状基本上是任意的，只要各个罐彼此配合，每个罐提供足够的空间用于储存所提供的气体并且被充分隔热。如从外部看到的，各个罐通常具有基本上相同的几何形状(除了尺寸)，即每个容器的形状通常是相应内部容器的形状的基本放大的实施。优选的是具有简单几何形状的同心的(konzentrische)容器，例如球体，圆柱体，旋转椭球体以及扁平的球体、圆柱体或旋转椭球体。圆形形状基本上是优选的，但是也可以是有角的形状，例如具有正方形或六边形横截面的罐。根据本专利技术的反应气体容器的尺寸当然取决于容纳在容器中的反应气体的量，并且还取决于由反应气体容器要安装的空间的预定的几何形状。作为用于定向的示例，示出了用于自主水下航行器的反应气体容器，该容器要容纳用于产生约250kWh电能的大约12kg氢、大约6kg氧和高达约1kg的氮。这种反应气体容器将具有长度大约为180-200cm，直径约40-44cm(外部尺寸)的“雪茄形状”。所需的氮的量低，因为氮优选被循环本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种燃料电池系统反应气体容器(1)，包括：用于储存液态氢的氢罐(10)，用于储存液态氧的氧罐(30)，和可选地，用于储存液态或气态氮的氮罐(20,29)，其特征在于，所述氢罐(10)至少部分地位于所述氧罐(30)内，并且所述氧罐(30)至少部分地由隔热体(40)包围。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.08.22 DE 102014112059.01.一种燃料电池系统反应气体容器(1)，包括：用于储存液态氢的氢罐(10)，用于储存液态氧的氧罐(30)，和可选地，用于储存液态或气态氮的氮罐(20,29)，其特征在于，所述氢罐(10)至少部分地位于所述氧罐(30)内，并且所述氧罐(30)至少部分地由隔热体(40)包围。2.根据权利要求1所述的燃料电池系统反应气体容器(1)，包括氮罐(20)，所述氮罐(20)位于所述氧罐(30)的内部和所述氢罐(10)的外部。3.根据权利要求1或2所述的燃料电池系统反应气体容器(1)，包括氮罐(20)，所述氢罐(10)位于所述氮罐(20)的内部。4.根据权利要求1至3中任一项所述的燃料电池系统反应气体容器(1)，其中所述隔热体(40)被设计为被抽真空或适于被抽真空的腔。5.根据权利要求1至4中任一项所述的燃料电池系统反应气体容器(1)，其中所述氢罐(10)、所述氧罐(30)和可选地所述氮罐(20,29)被设计为具有不同尺寸但具有基本上相同的几何形状的同心(konzentrische)容器。6.根据权利要求1至4中任一项所述的燃料电池系统反应气体容器(1)，其中所述氢罐(10)和所述氧罐(30)以及可选地所述氢罐(10)和所述氮罐(20,29)被设计为具有不同尺寸和不同几何形状的同心容器。7.根据权利要求1至6中任一项所述的燃料电池系统反应气体容器(1)，其中所述氢罐(10)和/或所述氧罐(30)和/或所述氮罐(20,29)和/或所述隔热体(40)设有加强件。8.根据权利要求1至7中任一项所述的燃料电池系统反应气体容器(1)...

【专利技术属性】
技术研发人员：曼弗雷德·林布伦纳，
申请(专利权)人：PM燃料电池股份有限公司，
类型：发明
国别省市：德国;DE