CN111755717A - 用于燃料电池系统的水分离器 - Google Patents

Abstract

提出一种用于燃料电池系统的水分离器(2)，所述水分离器具有闭合的壳体(4)，所述壳体具有气体接口(6)和背离所述气体接口(6)布置的底板(8)，所述底板具有排出口(28)，其中所述壳体(4)的净宽度从所述底板(8)朝向所述气体接口(6)至少区段式地减小，并且其中所述壳体的高度小于所述壳体的最大净宽度。

Description

用于燃料电池系统的水分离器

技术领域

本发明涉及一种用于燃料电池系统的水分离器、一种具有这种水分离器的燃料电池系统、以及一种具有燃料电池系统和这种水分离器的载具。

背景技术

在运行燃料电池时，始终产生呈水蒸气形式的水作为副产物。建议的是：尤其在飞行器中使用燃料电池时，出于重量原因和经济性原因将水分离并供应给其他的消耗器。已知长形的、大体上圆柱形的、罐形的水分离器，这些水分离器与燃料电池的排气管线或再循环管线处于流体连接。由于在排气管线或再循环管线中流动的气体-水蒸气混合物的压力水平相对较高，因此可以使该气体-水蒸气混合物过饱和，使得水在耗费不高的情况下“落入”水分离器中。在其他情况下，可以冷却排气管线或再循环管线，使得水蒸气充分冷凝。由此，水持续地积聚并且可以例如周期性地经过排出口再次从水分离器中被移除。为此可以使用填充液位传感器，该填充液位传感器检测到达预先设定的最大填充液位并且启动排出口的打开。在此应注意的是，始终存在一定余量的水，使得气体-水蒸气混合物不能从排出口逸出。出于这个原因，一定的结构高度是有意义的。

DE 102010052839 A1公开了一种用于产生飞行器机载使用的电能和水的燃料电池系统，其中为水箱供应来自与燃料电池系统联接的水分离器中的水。

发明内容

在实现飞行器中的高性能的燃料电池时，可能产生较大量的必须被导出的水。然而同时现有的结构空间也不是无限的，因此特别是对于具有足够容量的罐状的水分离器而言不存在对应的结构高度。

因此本发明的目的在于，提出一种用于燃料电池系统的水分离器，该水分离器具有尽可能低的结构高度，然而具有足够的体积。应确保：不是所有的水都从水分离器中逸出并且因此使得包含水蒸气的气体不期望地逸出。

该目的通过具有独立权利要求1所述特征的水分离器来实现。有利的实施方式和改进方案自从属权利要求和以下说明书中得出。

提出一种用于燃料电池系统的水分离器，所述水分离器具有闭合的壳体，所述壳体具有气体接口和背离所述气体接口布置的底板，所述底板具有排出口，其中所述壳体的净宽度从所述底板朝向所述气体接口至少区段式地减小，并且其中所述壳体的高度小于所述壳体的最大净宽度。

壳体的净宽度可以在至少一个区段中减小，或替代性地也可以连续地减小。在此，水分离器还可以与安装空间的几何形状相适配(“conformaltank”，保形箱)。可提出的是：净宽度减小至少四分之一。还可以提出的是：壳体的高度最高与最大净宽度的一半对应。

因此，根据本发明的水分离器配备有比前面提到的、很大程度上设计为罐形的常见的水分离器明显更扁平的结构形式。由于与结构高度相比相对较大的净宽度，因此得到水分离器的非常扁平的结构，该水分离器的壳体体积从底板朝向气体接口延伸并且还在这一方向上变窄。由于变窄，液位上升的速度随着水量的增加而增大。因此，在连续地、均匀地填充壳体的情况下，当到达并且填充变窄的区域时，液位上升得越来越快。因此，通过将液位传感器对应地放置在变窄的区域中可以非常可靠地分辨并检测预先确定的水量。这允许确定针对排水过程的精确的起始时间点。在底板处经过排出口移除水使得液位首先快速下降并且随后下降变慢。在底板的区域中，液位下降得最慢。有意义的是，将用于中断排水过程的时间控制设定成使得仍保留一定余量的、覆盖排出口的水。由于在底板附近较低的液位速度，可以藉由通过确定时间段来非常好地设定在排水后所保留的剩余液面。

水分离器的气体接口可能与燃料电池系统的阴极出口或阳极出口处于流体连接。同样，气体接口可能与阳极或阴极的气体再循环管线处于连接。气体被施加以压力并且可以借助水蒸气而过饱和。

单独的气体接口可能足以实现水分离。水分离器可能随后在阳极排气管线或阴极排气管线上构成最深的点或者被布置在再循环管线的上游，使得水“落入”水分离器中。还可以额外地冷却排气管线或再循环管线，以提高水蒸气冷凝/水分离。于是，气体接口可能具有尽可能大的横截面。然而还可设想的是：设置有单独的气体输入端和单独的气体输出端，这些气体输入端和气体输出端可以用于导入或导出气体。在这两种情况下，水分离器均提供封闭的体积，在该封闭的体积中可以使进入或经过的气体流动稳定下来，同时包含在内的水滴可以被分离出来并且汇集在水分离器中。

排出口可以是底板中的开口。底板可能在具有开口的位置处具有凹陷，在该凹陷中可以积聚额外的水以覆盖开口。在开口中还可以布置有电磁阀，该电磁阀在排水过程中被打开。

所述壳体可能在所述底板的区域中具有第一区段，所述第一区段以大体上恒定的横截面面积在朝向所述气体接口的方向上延伸。第一区段因此形成圆柱形或方形的体积，该体积具有最大可能的横截面面积。第一区段仅在水分离器的结构高度的一部分上延伸。在这个第一区段中，可以期望有最小的液位上升速度或最低的液位下降速度。优选地，第一区段还包含直接邻接底板或在底板正上方的区域，使得排出口始终将水从这个第一区段导出。

在一个有利的实施方式中，所述壳体在所述底板与所述气体输入端之间具有第二区段，所述第二区段形成为大体上鞍形、楔形、锥形或倒漏斗形的。在那里实现变窄，使得可以藉由进入的水的连续的体积流量而期望液位上升速度或液位下降速度增大。在特别简单的情况下，位于第二区段中的侧向的壁或壁面或罩面可以具有朝向气体接口的直线形走向，从而使得其与底板围成恒定的角度。示例性地可以提出：底板和壁围成不大于60°的角度，在一个实施方式中围成不大于45°的角度，并且在另一个实施方式中围成不大于25°的角度。

此外，所述水分离器可能具有流动稳定元件，所述流动稳定元件以与所述底板相距一定间隔的方式被布置在所述壳体中并且跨越所述壳体的局部横截面。流动稳定元件用于使壳体内部的气体流动稳定下来，其方式为使得已经存在于水分离器中的水不是从围绕排出口的空间区域被扫出，而是保留在那里并且防止气体从排出口流出。流动稳定元件例如可能在壳体的整个横截面上延伸，从而可以可靠地使从气体接口指向底板的所有流动稳定下来。

所述流动稳定元件可能是与所述底板平行地布置的孔板或多孔泡沫或蜂窝结构。孔板可以理解为平坦的构件，该构件具有多个孔。这些孔可以以均匀的网格或不均匀的方式分布在孔板上。这可以取决于进入的气体的流动形式。孔板可能实现为金属板或由塑料件实现。

所述流动稳定元件可能界定所述第一区段。因此，尤其在第一区段中使所接收的水量稳定下来，并且防止剧烈的流动以及在围绕排出口的区域中形成2相混合物或2相流动(气体和液体)。

此外，所述水分离器可能具有多个挡板，所述挡板横向于所述底板布置并且各自具有至少一个穿流开口或与所述底板围成至少一个穿流开口。在水分离器或飞行器(在该飞行器中集成有这样的水分离器)运动时，这些挡板缓冲水分离器中的水的剧烈的晃动运动。虽然水可以借助于穿流开口继续在壳体内流动，然而在此限制其动力。可设想的是：将穿流开口全部布置在距底板的同一高度上，或者布置在不同的高度上。尤其提出的是：穿流开口被布置在底板的尽可能正上方。这些流动开口可以实现为各个孔或切口，这些孔或切口沿着底板或挡板分布。挡板可以实现为金属板或塑料件。挡板可以与孔板构成一体式的构件。对于挡板而言还可能替代性地使用泡沫或蜂窝结构。

在另一个有利的实施方式中，所述水分离器还具有用于与排放阀联接的液位传感器，其中所述液位传感器被布置在所述壳体的局部横截面面积小于所述底板的横截面面积的位置处。可提出的是：在液位传感器的安装位置处，在那里的横截面面积是底板的横截面面积的一半或小于底板的横截面面积。液位传感器可能被布置在急剧变窄的横截面面积处，以便可靠地检测所期望的最大液位。尤其，液位传感器可能被实施为超声波液位传感器。

本发明还涉及一种燃料电池系统，所述燃料电池系统具有至少一个燃料电池和至少一个根据上述说明的水分离器。阴极排气管线或阴极气体再循环管线以及阳极排气管线或阳极气体再循环管线可能与水分离器处于流体连接。在燃料电池过程中产生的水可以随后出于其他目的而被收集并使用。

尤其，所述至少一个燃料电池可能是PEM燃料电池。这样的燃料电池在技术上已经很好地被开发并且可以在适当的温度水平下提供大的电功率。

本发明还涉及一种载具，所述载具具有至少一个这样的燃料电池系统。尤其，所述载具可以为飞行器且优选为交通飞行器。水分离器可以将所分离的水用于不同的目的，从而不必单独地携带水。

优选地，所述气体输入端被布置在所述液位传感器的竖直方向上或侧上方，并且所述壳体向上变窄。因此，水分离器被布置在排气源的正下方并且允许由于重力而导出水。

所述排出口可能被布置在所述水分离器的最深的位置处。由此确保排出口始终保持被水覆盖。

所述排放阀可能与所述排出口处于流体连接并且与前面提到的液位传感器相联接。在到达预先确定的最大液位时可能打开排放阀。

附图说明

本发明的其他特征、优点和应用可能性从对实施例的以下描述和附图中得出。在此，所有所描述的和/或图示的特征自身和以任意组合构成本发明的主题，而与其在各个权利要求中或其所引用的权利要求中的关系无关。此外，在附图中相同的附图标记代表相同或相似的物体。

图1和图2以侧截面示出水分离器。

图3示出用于以氢气和氧气来运行的、具有这种水分离器的燃料电池系统。

图4示出用于以氢气和空气来运行的、具有这种水分离器的另一个燃料电池系统。

图5示出飞行器，该飞行器具有带有这种水分离器的燃料电池系统。

具体实施方式

图1以侧截面示出了用于燃料电池系统的水分离器2。水分离器2可以旋转对称地形成，因此图示可以被视为中间截面。然而替代于此，水分离器2还可以是由非圆形的本体形成的并且可以是相对于图平面垂直地以恒定的截面延长的。

水分离器2具有闭合的壳体4，该壳体具有气体接口6和背离气体接口6布置的底板8。该壳体形成第一区段10和位于该第一区段上方的第二区段12。在第一区段10中，净宽度14(即存在于壳体4内部的壳体4的宽度)是恒定的并且与第二区段12相比是最大的。在位于第一区段10与气体接口6之间的第二区段12中，净宽度14在朝向气体接口6的方向上连续地减小。在示出的实施例中，壳体4为此在第一区段10中具有壁面16，这些壁面示例性地相对于底板8竖直地布置。倾斜的盖面18从壁面16朝向气体接口6延伸。这些盖面与底板8示例性地围成大约16°的角度并且示例性地沿直线延伸。气体接口6示例性地由具有伸出部20的凸缘构成，在该凸缘上可以拧接有引导气体的部件。

在该实例中，底板8所具有的宽度大于从底板8直至气体接口6的外部端部的壳体4的高度的两倍。在示出的实施例中，水分离器2的宽度大于高度的四倍。因此，由此得到非常扁平的结构。由于壳体4的从底板8在朝向气体接口6的方向上变窄的形状，水位在第一区段10中首先均匀上升，而其上升速度在第二区段12中随着液位的增加而增大。在预先确定的最大液位22处布置有液位传感器24，该预先确定的最大液位明显地在第二区段12中可以位于略大于第二区段12的一半高度上。这个液位传感器可以是超声波传感器并且示例性地藉由六角螺栓26被拧入壳体4中。一旦水位到达预先确定的最大液位22，则由液位传感器24生成信号。这个信号例如可以用于打开阀，以将水从壳体4中导出。在底板8中还设置有排出口28，该排出口借助电磁阀30被闭合。为了打开排出口28，打开电磁阀30，这例如可以藉由液位传感器24的信号来启动。

为了防止到达壳体4的内部的气体经由排出口28从水分离器2逸出，期望的是壳体4中水的最小液位32。这个最小液位示例性地大约位于第一区段10与第二区段12之间的过渡部处。在那里还布置有呈孔板形式的流动稳定元件34。这个流动稳定元件例如还可以是面型地实施的多孔泡沫。替代于此，还可设想蜂窝结构。流动稳定元件34与底板8平行地延伸，并且可以抵抗剧烈地或显著的流动现象。因此可以使尤其排出口28处的流动稳定下来，这支持了防止气体从排出口28逸出。

横向于底板8还设置有多个具有穿流开口38的挡板36，这些挡板大体上从底板8在朝向气体接口6的方向上延伸。这些挡板示例性地在最大液位22的高度上终止。在水分离器2发生剧烈的横向移动的情况下，可以防止或降低所接收的水的晃动运动。这也可以使在排出口28的区域中的流动稳定下来，从而可以防止气体的逸出。

在图2中示出了水分离器2的大体上同一实施例。在此，在凸缘20上布置有一种类型的盖40，该盖具有进气口42和排气口44。经由进气口42流入水分离器2中的气体可以排放水并且经过排气口44再次从水分离器2中逸出。

图3示出了具有燃料电池48的燃料电池系统46，该燃料电池具有阳极50和阴极52。给阳极50被供应氢气，给阴极52供应氧气。在阳极50和阴极52的下游连接有水分离器2。两个水分离器2与阳极或阴极的输出端54或56处于流体连接并且可以各自排放水。在阳极50和阴极52的下游连接有再循环管线51或53。在各自的再循环管线51和53的上游连接有水分离器2。

图4示出了燃料电池系统47，该燃料电池系统同样具有燃料电池48。在阳极50和阴极52的下游各自连接有水分离器2。与来自图3的燃料电池系统46的不同之处在于：给阴极52被供应空气。因此没有再循环管线53。

最后，图5示出了飞行器58，在该飞行器中可以安装这样的燃料电池系统46。

补充性地可以指出，“具有”并不排除其他的元件或步骤，并且“一个”或“一种”不排除多数。此外还可以指出，可以使用已经参照上述实施例之一描述的特征还有与上文描述的另外实施例的其他特征的组合。权利要求书中的附图标记不应视为限制。

附图标记清单

2 水分离器

4 壳体

6 气体接口

8 底板

10 第一区段

12 第二区段

14 净宽度

16 壁面

18 盖面

20 伸出部

22 最大液位

24 液位传感器

26 螺栓

28 排出口

30 阀，电磁阀

32 最小液位

34 流动稳定元件

36 挡板

38 穿流开口

40 盖

42 进气口

44 排气口

46 燃料电池系统

47 燃料电池系统

48 燃料电池

50 阳极

51 再循环管线

52 阴极

53 再循环管线

54 输出端

56 输出端

58 飞行器/载具。

Claims (14)

1.一种用于燃料电池系统(46)的水分离器(2)，所述水分离器具有闭合的壳体(4)，所述壳体具有气体接口(6)和背离所述气体接口(6)布置的底板(8)，所述底板具有排出口(28)，其中所述壳体的净宽度(14)从所述底板(8)朝向所述气体接口(6)至少区段式地减小，并且其中所述壳体(4)的高度小于所述壳体(4)的最大净宽度(14)。

2.根据权利要求1所述的水分离器(2)，其中所述壳体(4)在所述底板(8)的区域中具有第一区段(10)，所述第一区段以大体上恒定的截面面积朝向所述气体接口(6)延伸。

3.根据权利要求1或2所述的水分离器(2)，其中所述壳体(4)在所述底板(8)与所述气体接口(6)之间具有第二区段(12)，所述第二区段形成为大体上鞍形、楔形、锥形或倒漏斗形的。

4.根据前述权利要求之一所述的水分离器(2)，所述水分离器还具有流动稳定元件(34)，所述流动稳定元件以与所述底板(8)相距一定间隔的方式布置在所述壳体(4)中并且跨越所述壳体(4)的局部截面。

5.根据权利要求4所述的水分离器(2)，其中所述流动稳定元件(34)是与所述底板(8)平行地布置的孔板、多孔泡沫或蜂窝结构。

6.根据权利要求2和4或5所述的水分离器(2)，其中所述流动稳定元件(34)界定所述第一区段(10)。

7.根据前述权利要求之一所述的水分离器(2)，所述水分离器还具有多个挡板(36)，所述挡板横向于所述底板(8)布置并且各自具有至少一个穿流开口(38)或与所述底板(8)围成至少一个穿流开口(38)。

8.根据前述权利要求之一所述的水分离器(2)，所述水分离器还具有用于与阀(30)联接的液位传感器(24)，其中所述液位传感器(24)被布置在所述壳体(4)的局部截面面积小于所述底板(8)的截面面积的位置处。

9.一种燃料电池系统(46)，所述燃料电池系统具有至少一个燃料电池(48)和至少一个根据前述权利要求之一所述的水分离器(2)。

10.根据权利要求9所述的燃料电池系统(46)，其中所述至少一个燃料电池(48)是PEM燃料电池。

11.一种载具，所述载具具有至少一个根据权利要求9或10所述的燃料电池系统(46)。

12.根据权利要求11所述的载具(58)，其中所述气体接口(6)被布置在所述液位传感器(24)的竖直方向上或侧上方，并且所述壳体(4)向上变窄。

13.根据权利要求11或12所述的载具，其中所述排出口(28)被布置在所述水分离器(2)的最深的位置处。

14.根据权利要求11至13之一所述的载具，其中排放阀与所述排出口处于流体连接。

Images