用于收集和分配产品水的分配装置的制作方法

1.本发明涉及一种用于在燃料电池系统中收集和分配产品水的分配装置、一种具有这种分配装置的燃料电池系统以及一种用于控制燃料电池系统内的湿度的方法。


背景技术：

2.已知的是，在燃料电池系统内，湿度在监控中扮演了重要角色。在此，它尤其是指在燃料电池堆内的阳极侧和阴极侧之间的敏感隔膜应该不低于规定的湿度。但同时燃料电池堆内的湿度也应该不高出规定的最大值，以避免燃料电池堆内不希望有的大量冷凝水。
3.已知的燃料电池堆因此允许监控燃料电池堆内的湿度，尤其是通过控制阴极供应气体的加湿。阴极供应气体通常是空气，其从燃料电池堆外部被吸入。根据湿度要求的不同，在已知的解决方案中可以用加湿装置加湿阴极供应气体。通常如此设计加湿装置，即，来自阴极废气的湿气可被转移到阴极供应气体。为了控制阴极供应气体的湿度，在已知解决方案中设有旁通路径，其允许阴极废气从加湿装置旁绕过。因此在已知解决方案中可以使来自阴极废气的湿气或是从加湿装置旁且进而从阴极供应气体旁绕过，或是被送入加湿装置且进而被供应给阴极供应气体。因此，如果期望阴极供应气体内有更高的湿度，则可以在已知解决方案中关闭该旁通路径。如果在阴极供应气体内不需要更高的湿度，则开通旁通路径，并且通过这种方式使得加湿装置内的湿度降低。
4.已知解决方案的缺点尤其是需要高的结构成本，以与加湿装置并行地设置旁通部段以及在该旁通部段内的对应的旁通阀。


技术实现要素：

5.本发明的任务是至少部分消除前述的缺点。本发明的任务尤其是以廉价简单的方式保证燃料电池堆内的加湿可控性。
6.前面的任务通过一种具有权利要求1的特征的分配装置、一种具有权利要求8的特征的燃料电池系统以及一种具有权利要求11的特征的方法完成。本发明的其它的特征和细节来自从属权利要求、说明书和附图。在此，关于本发明的分配装置所描述的特征和细节也显然关于本发明的燃料电池系统以及本发明的方法而言是适用的，反之亦然，从而关于对各个发明方面的公开内容总是相互参照或可以相互参照。
7.根据本发明的分配装置被配置用于从燃料电池系统的阳极路径、尤其是阳极排废部段中收集产品水。收集的产品水随后被供应给燃料电池系统的阴极排废部段，或者被分配到阴极排废部段。为达成所述功能，分配装置具有水分离器，其设计成流体连通至燃料电池系统的阳极路径，用于从阳极废气中分离出产品水。水分离器设计成具有出水口，用于输出分离出的产品水。从出水口流出的产品水被继续输送至阀装置，其流体连通至出水口。因此，所排出的产品水通过出水口在出水口下游被送入阀装置，并在那里被分配给第一分配出口和/或第二分配出口。在此，第一分配出口在加湿装置上游与燃料电池系统的阴极排废部段流体连通相连。第二分配出口也与燃料电池系统的阴极排废部段流体连通相连，但是
这发生在加湿装置的下游。该阀装置在此配备有至少一个可切换的阀机构，其可在第一分配位置和第二分配位置之间切换。在第一分配位置，通至第一分配出口的流体连通被开通；在第二分配位置，通至第二分配出口的流体连通被开通。
8.基于前面对技术功能的说明，现在可以利用该分配装置对来自阳极排废部段的分离出的产品水进行主动分配。在燃料电池系统工作中出现冷凝水，其尤其存在于阳极侧且在那里包含在阳极废气中。因此在分配装置中设置水分离器，其能够从阳极路径内的阳极废气中分离出冷凝水。在此，该分配装置和尤其是该水分离器例如可以布置在阳极排废部段内。但原则上也可以想到，燃料电池系统具备阳极废气再循环功能和相应的再循环部段。因此也能够计划将水分离器布置在这种再循环部段内或甚至在通至这种再循环部段的连通机构下游布置在阳极供应部段内。在所有这些情况下可能的是，给水分离器直接供以阳极废气或再循环的阳极废气并且作为产品水分离出冷凝水。
9.根据本发明，现在可以在燃料电池系统内继续使用分离出的产品水。借助于分配装置且尤其是借助阀装置，在此可以实现可切换的使用。因此可行的是，在阀机构切换到第一分配位置时提供在水分离器与阴极排废部段之间的流体连通连接。产品水通过这种方式被输入阴极排废部段，确切说是在加湿器上游通过第一分配出口来达成的。因此还将产品水的湿气加入到阴极排废部段内的阴极废气中，随后它经过加湿装置。换言之，阴极废气的湿度被提高，随后阴极废气以更高湿度在连接点下游进入加湿装置。这导致了湿度更高的阴极废气也能对阴极供应气体施加增强的加湿功能。换言之，通过这种方式将更多的湿气输出给阴极供应气体，并且通过这种方式提高阴极供应气体的湿度。因此在第一分配位置，分配装置用于增强针对阴极供应气体的加湿作用。
10.如果不需要加强阴极供应气体的加湿效果，则可以通过阀机构来转换到第二分配位置。在第二分配位置，产品水现在虽然也又通过第二分配出口被供应给阴极排废部段，但是这发生在加湿装置下游。通过阴极排废部段进入加湿装置的阴极废气因此不具有来自产品水或分配装置的额外湿气。相反，分离出的产品水最初在下游且因而在加湿装置之后才被供应给阴极废气，并且能够与阴极废气一起离开燃料电池系统。因此当阀机构处于第二分配位置时，产品水的输入阴极排出气体内的湿气在加湿装置中不具有附加的加湿作用。即，在第二分配位置不发生阴极供应气体的附加加湿。
11.基于前面的说明而清楚的是，现在可以通过该分配装置来分配产品水，并且通过这种方式，“在第一分配位置给阴极供应气体附加加湿”与“在第二分配位置禁止给阴极供应气体附加加湿”之间存在可切换性。
12.如也从功能说明中清楚知道地，该可切换性可以允许控制阴极供应气体的附加加湿而不必影响到加湿装置的可能旁通。这一方面提升控制跨度、即以定量方式影响阴极供应气体湿度的可能性。另一方面，通过这种方式可以完全仅保留这种控制可能性并且完全避免旁通路径的结构设计。因此，加湿装置的总系统和进而燃料电池系统可以设计得更廉价、简单和紧凑。尤其是，通过借助所收集的产品水来提高加湿能力，也可以实现加湿装置本身的较小型设计，从而在这里可通过更高的控制功能来定量达成加湿装置的进一步紧凑性或尺寸减小。
13.有利的是，在本发明的分配装置中该阀机构附加地可被切换到闭塞位置，在闭塞位置，所述第一分配出口和第二分配出口、尤其是所有的分配出口被闭塞。在本发明范围内
原则上也可以想到，也可以设有阀装置的第三、第四或多个其它分配出口连同相应的第三、第四或其它的分配位置。但原则上，形成所述的两个分配出口就足以实现本发明功能。对于产品水未被分离的情况，或者当产品水应收集在随后还要解释的收集容器内时，可能有利的是所有分配出口均未被供以产品水。为了在这种情况下保证可切换性，阀机构可以具有呈闭塞位置形式的第三位置，在该位置禁止流体连通连接至所有分配出口。因此，通过这种方式可以在设于阀机构上游的收集容器中收集产品水，但或者不进一步分配分离出的产品水。但优选与随后还将说明的收集容器相互组合，该收集容器尤其允许阴极供应气体的错时加湿。
14.当在本发明的分配装置中在出水口下游且在阀装置上游设置用于分离出的产品水的收集容器时，进一步带来优点。这种收集容器也可被称为暂存器，其在时间上且关于分离出的或所分配的体积而言将分配功能与分离功能分开。因此常见的是，待分离的产品水的量或体积不一定与加湿装置中此刻所需要的湿气量相关联。该收集容器现在允许连续地或基本连续地提供分离功能，即阳极废气所含的产品水以液态形式被分离，以免涌向阳极区。收集容器用作收集可能方式和进而用作暂存器。按照相同的方式，当需要或期望附加加湿该阴极供应气体时，也可以优选随时通过暂存器加强加湿功能。当在此时刻在阳极废气中不存在或只有少量产品水可供分离时，存储在收集容器中的产品水因此也可以通过第一分配出口在第一分配位置被用于附加加湿。尤其是，这种收集容器的使用与带有附加闭塞位置的阀机构相互组合，以便维持前述错时的分离和分配功能。
15.当在本发明的分配装置中该阀机构设计成以定量方式切换到第一分配位置和/或第二分配位置时，也可带来进一步优点。这种定量切换设计导致了，在分配位置相应分配出口不仅可以被定性地打开和关闭，也可以控制当前流通体积流、即应被输入相应分配出口的单位时间内的产品水量。除了第一分配出口与第二分配出口之间的简单切换外，这还允许定量控制输入相应分配出口的产品水量。除了原则上启闭附加加湿特性外，可以通过这种方式以定量形式改善尤其在第一分配位置通过这种定量切换所达成的附加加湿量。在此，阀机构是用于所有分配出口的共同阀机构或是可彼此单独地定量切换的阀组成元件，这一点无关紧要。
16.当在本发明的分配装置中该阀机构设计成至少部分以定性方式切换到第一分配位置和/或第二分配位置时，也可以获得优点。在此，例如可以采用多路阀，其只能处于第一分配位置或只能处于第二分配位置。因此，各分配位置完全打开或完全关闭所属的分配出口。这显然可以在本发明范围内与根据前一段落的定量切换可能方式相互组合。原则上，定性切换允许明显更简单且廉价的针对分配功能和进而加湿控制的调控能力。
17.当在本发明的分配装置中在出水口下游设置用于输送分离出的产品水的泵装置时，还带来了优点。这种泵装置例如可以布置在收集容器的上游并将分离出的产品水输入收集容器。也可以想到布置在这样的收集容器之后，以便借助泵装置将产品水从收集容器送出。按照相同的方式，泵装置可以在阀装置之前和/或阀装置之后布置在例如相应的分配出口内。泵装置的使用允许尤其关于重力方向而言保证在燃料电池系统使用中且尤其在分配装置使用中的更大的自由度。也可以想到采用泵装置来代替收集容器(如已在上面描述的那样)。
18.进一步有利的是，在本发明的分配装置中第一分配出口具有通入阴极排废部段的
分配喷嘴，用于在加湿装置上游将产品水喷入阴极排废部段。这种分配喷嘴也可以被称为雾化喷嘴并且用于由液态产品水流形成细密分布的滴云，其在加湿装置或阴极排废部段内被喷入阴极废气。呈单独液滴状的细密分布和/或分散导致了阴极排出气体的加湿效果被加强，并且进一步改善在加湿装置中将附加湿气转交给阴极供应气体的可能性。
19.本发明的主题也是一种燃料电池系统，其具有：
20.‑
至少一个包括阳极部和阴极部的燃料电池堆，
21.‑
用于给阳极部供以阳极供应气体的阳极供应部段，
22.‑
用于给阴极部供以阴极供应气体的阴极供应部段，
23.‑
用于排出阳极废气的阳极排废部段，
24.‑
用于排出阴极废气的阴极排废部段，
25.‑
在阴极供应部段中的用于加湿阴极供应气体的加湿装置。
26.在此，在阳极路径内、尤其在阳极排废部段内，安装有根据本发明的分配装置。因此，本发明的燃料电池系统带来了关于本发明的分配装置所明确描述的一样的优点。加湿装置在此最好与阴极排废部段相关地布置，从而阴极排废部段穿过加湿装置，以加湿阴极供应气体。原则上也可以想到在阳极路径内布置再循环部段，其允许阳极废气通过主动再循环装置(例如再循环泵)或被动循环装置(如喷射器/喷出器)被再循环到阳极供应部段中。替代地或附加地也可以想到，本发明的分配装置也布置在阴极路径内、尤其是阴极排废部段内。这允许最好在加湿装置下游分离所积存的液态产品水并经由分配装置供应给用水用户。
27.当在本发明的燃料电池系统中该加湿装置被设计成没有旁通路径时，带来了优点。如一开始已经解释地，可以利用本发明的分配装置在大的范围内保证在加湿装置内对阴极供应气体的附加加湿进行控制。通过这种大的控制范围，现在可以甚至完全放弃经由旁通部段的单独控制功能。根据本发明的燃料电池系统因此不需要旁通路径，因而该加湿装置可被设计成没有这种旁通路径，以实现更高的紧凑性和更廉价且简单的设计。
28.当在本发明的燃料电池系统中将附加的分配装置布置在阴极路径中时，也带来优点。这种附加的分配装置如已经说明地允许进一步改善加湿控制。因此，例如所有分配装置可以采用共同的收集容器，以便不仅从阳极废气也从阴极废气分离且收集分离出的产品水。
29.本发明的另一个主题是一种利用本发明的燃料电池系统来控制阴极供应气体湿度的方法，包括以下步骤：
30.‑
确定阴极供应气体的湿度参数，
31.‑
基于所确定的湿度参数切换该阀装置的阀机构。
32.根据本发明的方法带来了与关于本发明的燃料电池系统以及本发明的分配装置所明确解释的一样的优点。湿度参数的确定在此能以直接方式、但也能以间接方式进行。因此，例如阴极供应气体的湿度可在加湿装置下游在阴极供应部段中被直接测量。但例如也可基于燃料电池堆的当前工作点来间接确定这种湿度参数。在此，本发明的控制方法的目的是燃料电池堆内的在相应阳极部和相应阴极部之间的隔膜的规定湿度。优选地，所规定的湿度是通过针对隔膜所限定的最低湿度、限定的最高湿度和/或限定的湿度范围来预先规定的。
33.当在本发明方法中该阀机构的切换以成批方式和/或周期方式进行时，可以带来进一步优点。这允许特别简单且低成本地控制该阀机构。例如可以借助于脉宽调制(pwm)来成批地和/或周期性切换阀机构。第一分配位置和第二分配位置之间的周期性切换例如可以关于切换频率和/或关于打开时间或在相应分配位置的滞留时间而言来控制。优选地，这种成批切换和/或周期性切换与具有所述收集容器的分配装置相互组合。
附图说明
34.本发明的其它的优点、特征和细节来自以下参照附图详述本发明实施例的说明，附图示意性示出：
35.图1示出处于第二分配位置的本发明的分配装置的一个实施方式，
36.图2示出处于第一分配位置的图1的实施方式，
37.图3示出处于闭塞位置的本发明的分配装置的另一个实施方式，
38.图4示出本发明的燃料电池系统的一个实施方式，
39.图5示出本发明的燃料电池系统的另一个实施方式。
具体实施方式
40.图1和图2示意性示出本发明的分配装置10的一个实施方式。通过阳极排废部段122，燃料电池堆110的阳极废气可被输送。作为阳极排废部段122的一部分，在其内部集成有水分离器20，它允许产品水pw从阳极排废部段122内的阳极废气中被分离出。分离出的产品水pw现在通过出水口22被供应给阀装置30。阀装置30在图1中如图所示处于第二分配位置vp2并且在图2中如图所示处于第一分配位置vp1。用于阀装置30的阀机构36的这两个分配位置vp1、vp2的区别是，呈第一分配出口32和第二分配出口34形式的彼此不同的分配路径被打开或关闭。
41.如果期望阴极供应气体内有附加湿气，则需要加湿装置130内的附加加湿。阴极供应气体此时通过阴极供应部段140从左侧流入加湿装置130并且在右侧又从中流出。为了加湿，还横向于阴极供应气体地将阴极废气经由阴极排废部段142输入加湿装置130，以便经由加湿装置130给阴极供应气体供以阴极排出气体所载的湿气。
42.为了期望的更好的或提高的阴极供应气体湿度，现在将阀机构36切换到第一分配位置vp1(根据图2)。产品水pw现在通过出水口22被引导至第一分配出口32，并在那里在加湿装置130的上游被供应给阴极排废部段142内的阴极废气。阴极废气所装载的湿气因此在加湿装置130上游提高，从而在加湿装置130内如此被加湿的阴极废气可以增强针对阴极供应部段140内的阴极供应气体的加湿效果。
43.如果阴极供应气体内不需要附加湿气，则阀机构36被切换到第二分配位置vp2(根据图1)，从而第一分配出口32被闭塞，且第二分配接口34被打开。现在，来自出水口22的分离出的产品水pw未被堵塞，而是被继续供应给阴极排废部段142，但是这发生在加湿装置130的下游，从而无法实现在加湿装置130内的附加加湿作用。在两个分配位置vp1和vp2之间的切换因此允许在启用附加加湿功能和停用附加加湿功能之间切换。
44.图3示意性示出图1和图2的实施方式的分配装置的改进方案。阀装置30的阀机构36在此还可以运动到所示的闭塞位置sp，在闭塞位置，两个分配出口32、34均未被操作。切
换功能尤其与用于产品水pw的收集容器40(如图5所示)组合，并且可以通过这种方式来给阀装置30的周期切换或成批切换提供辅助。在这里，还示出了分配喷嘴60，其允许产品水pw成滴地从第一分配出口32精细地分配到阴极排废部段142的阴极废气中。当阀机构36位于第一分配位置vp1时，这允许还进一步提高附加的加湿能力。
45.图4示出本发明的燃料电池系统100的一个简单可能方式。为了简化图示，冷却循环未被示出。通过阳极供应部段120，阳极供应气体被送入燃料电池堆110的阳极部112。用过的阳极废气通过阳极排废部段122被排出，并且流经水分离器20。除了经由所谓的排气阀排出到环境和/或排入阴极排废部段，也可以通过例如呈喷射装置170形式的所示的被动再循环装置来进行阳极废气再循环。水分离器20显然也可以布置在再循环部段160内，或甚至在阳极供应部段120内位于在此呈喷射装置170形式的被动再循环装置的下游。
46.在图4的实施方式中，还设有可选的泵装置50，其允许将产品水pw从出水口22主动输送至阀装置30。在此设计方案中，同样又如关于图1
‑
4所述地可以将阀装置30切换至第一分配出口32和/或第二分配出口34并达成相应作用。
47.在图5中示出具有两个单独的燃料电池堆110的比较复杂的燃料电池系统100。在这里，相应地也示出了彼此分开的阳极供应部段120、阳极排废部段122、阴极供应部段140和阴极排废部段142。加湿装置130在此也又能够按照具备和没有附加加湿功能的方式来工作，做法是相应切换阀装置30的阀机构36。另外，在此实施方式中，设置用于产品水pw的收集容器40，以用作暂存器。
48.在根据图4和图5的燃料电池系统100内还设有涡轮机80连带设于其上游的另一个水分离器70。在具有涡轮机80的燃料电池系统100情况下，需要在涡轮机上游设置另一个水分离器70来保护涡轮机80以免水滴。作为水分离器70的替代，也可以设置带有泵和/或分配装置的收集容器。此外，设有旁通阀90。
49.以上对实施方式的说明仅在例子范围内描述本发明，显然实施方式的各个特征只要在技术上有意义就可以相互自由组合，而没有脱离本发明范围。
50.附图标记列表
51.10
ꢀꢀꢀꢀ
分配装置
52.20
ꢀꢀꢀꢀ
水分离器
53.22
ꢀꢀꢀꢀ
出水口
54.30
ꢀꢀꢀꢀ
阀装置
55.32
ꢀꢀꢀꢀ
第一分配出口
56.34
ꢀꢀꢀꢀ
第二分配出口
57.36
ꢀꢀꢀꢀ
阀机构
58.40
ꢀꢀꢀꢀ
收集容器
59.50
ꢀꢀꢀꢀ
泵装置
60.60
ꢀꢀꢀꢀ
分配喷嘴
61.70
ꢀꢀꢀꢀ
另一个水分离器
62.80
ꢀꢀꢀꢀ
涡轮机
63.90
ꢀꢀꢀꢀ
旁通阀
64.100
ꢀꢀꢀ
燃料电池系统
65.110
ꢀꢀꢀ
燃料电池堆
66.112
ꢀꢀꢀ
阳极部
67.114
ꢀꢀꢀ
阴极部
68.120
ꢀꢀꢀ
阳极供应部段
69.122
ꢀꢀꢀ
阳极排废部段
70.130
ꢀꢀꢀ
加湿装置
71.140
ꢀꢀꢀ
阴极供应部段
72.142
ꢀꢀꢀ
阴极排废部段
73.160
ꢀꢀꢀ
再循环部段
74.170
ꢀꢀꢀ
喷射装置
75.pw
ꢀꢀꢀꢀ
产品水
76.vp1
ꢀꢀꢀ
第一分配位置
77.vp2
ꢀꢀꢀ
第二分配位置
78.sp
ꢀꢀꢀꢀ
关闭位置