CN112652787B - 用于排气水提取的燃料电池架构、后处理系统和控制逻辑 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于排气水提取的燃料电池架构、后处理系统和控制逻辑。呈现了燃料电池系统和用于从系统排气中提取水的控制逻辑、用于制造/使用这种系统的方法、以及具有用于从燃料电池排气中提取水的后处理系统的电驱动车辆。用于燃料电池堆的后处理系统包括冷凝物发生器，其流体地连接到燃料电池堆以接收自其输出的排气。冷凝物发生器包括具有制冷剂管线的蒸发器芯，制冷剂管线经由制冷剂流体的受控循环来主动地冷却排气。流体地连接到冷凝物发生器的冷凝物收集器包括具有冷凝物捕集器的贮器壳体。贮器壳体将分离出的水蒸气收集作为液态水。液体存储容器接收并存储所收集的水。膨胀阀调节制冷剂流体的量。

Description

用于排气水提取的燃料电池架构、后处理系统和控制逻辑
技术领域
本公开一般地涉及用于将基于氢的燃料转化为电的电化学燃料电池系统。更具体地，本公开的各方面涉及用于从燃料电池系统排气中提取水的系统和方法。
背景技术
当前生产的机动车辆（vehicle，或为“交通工具”）（诸如，现代汽车）最初配备有动力总成，该动力总成操作以推进车辆并为车辆的车载电子设备供电。在汽车应用中，例如，车辆动力总成一般地以原动机为代表，该原动机通过自动或手动换挡动力变速器将驱动扭矩递送到车辆的最终驱动系统（例如，差速器、车轴、行走轮等）。历史上汽车一直由往复活塞式内燃发动机（ICE）组件提供动力，这是由于其随时可用性以及相对便宜的成本、轻便的重量和整体的效率所致。作为一些非限制性示例，这种发动机包括压缩点火（CI）柴油发动机、火花点火（SI）汽油发动机、两冲程、四冲程和六冲程架构、以及旋转发动机。另一方面，混合动力电动车辆和全电动车辆利用替代性动力源来推进车辆，诸如电动马达发电机单元（MGU），且因此最小化或消除了对基于矿物燃料的发动机获得牵引动力的依赖。
混合动力电动和全电动（统称为“电驱动”）动力总成采用各种架构，其中一些利用燃料电池系统来为一个或多个电动牵引马达供应动力。燃料电池是一种电化学装置，其一般地由接收氢（H2）的阳极电极、接收氧（O2）的阴极电极以及插置在阳极和阴极之间的电解质组成。引发电化学反应以在阳极处使氢分子氧化以生成自由质子（H+），然后自由质子穿过电解质以在阴极处用氧化剂（诸如，氧）还原。特别地，氢气在阳极催化剂层中的氧化半电池反应中被催化分裂，以生成自由氢质子和电子。这些氢质子穿过电解质到阴极，在阴极处氢质子与阴极中的氧和电子反应以形成各种堆的副产物。然而，来自阳极的电子不能穿过电解质；这些电子在被发送到阴极之前通过负载（诸如，车辆的牵引马达或需要固定发电的非车辆负载）被重定向。
在汽车应用中通常采用的燃料电池设计利用固体聚合物电解质膜（PEM）——也称为“质子交换膜”（PEM）——以在阳极和阴极之间提供离子输送。质子交换膜燃料电池（PEMFC）一般地采用固体聚合物电解质（SPE）质子传导膜（诸如，全氟磺酸膜）来分离产物气体并且除质子传导之外还提供对电极的电绝缘。阳极和阴极通常包括被支撑在碳颗粒上并与离聚物混合的精细分散的催化颗粒，诸如铂。该催化混合物沉积在膜的各侧上以形成阳极层和阴极层。阳极催化层、阴极催化层和电解质膜的组合限定了膜电极组件（MEA），在该膜电极组件中，阳极催化剂和阴极催化剂被支撑在离子导电固体聚合物膜的相对面上。
为生成用于为机动车辆提供动力所需的电，通常将许多燃料电池串联或并联组合成燃料电池堆，以实现更高的输出电压并允许更强的电流抽取。例如，用于汽车的典型燃料电池堆可具有超过两百个堆叠的电池。这些燃料电池堆接收反应气体作为阴极输入，通常作为由压缩机强制通过所述堆的计量流量的环境空气或浓缩气态氧。在正常操作期间，所述堆不消耗可计量的氧的量；一些残余的氧作为阴极废气输出，该阴极废气可包括水作为堆的副产物。燃料电池堆还接收氢或富氢反应气体作为流入所述堆的阳极侧中的阳极输入。氢在阳极流动通道内的分布通常保持基本上恒定，以实现恰当的燃料电池堆操作。在一些操作模式中，将补充氢馈送到燃料电池堆中，使得阳极气体均匀地分布以实现经校准的堆输出负载。附加地，燃料电池堆可以以将MEA保持在潮湿状态的方式操作；供应给燃料电池堆的气体可被加湿以防止使MEA干燥。因此，由燃料电池堆生成的排气可包括水蒸气、液态水、空气、少量的废氢气和其他微量元素。
发明内容
本文中呈现了具有用于从系统排气中提取水的伴随的控制逻辑的燃料电池系统、用于制造这种系统的方法和用于使用这种系统的方法、以及具有用于从燃料电池系统排气中提取夹带的水的后处理系统的电驱动车辆。通过示例的方式，呈现了具有排气后处理系统的燃料电池架构，所述排气后处理系统被设计成从富含水分的废气（从系统的阴极侧扩散介质输出）中解脱和转移出液态水。排气系统包含排气预调节器，该排气预调节器提供被动式空气-热交换以对排气进行冷却。流体地位于排气预调节器下游的冷凝物发生器采用具有制冷剂管线的蒸发器芯，所述制冷剂管线提供足以引发冷凝的主动式排气冷却。流体地在冷凝物发生器下游的冷凝物收集器提供了水分离和噪声减轻，从而将分离出的液态水泵送到用于存放和供应所收集的水的不透流体的水存储容器中。旋风式两相流分离器可流体地插置在冷凝物发生器和收集器之间以通过离心鼓动水分离。可提供电动或恒温膨胀装置、毛细管或受控孔口装置，以选择地增加和减少从燃料电池系统的排气中提取的水的量。该系统在燃料电池操作期间采用主动式和被动式过程两者来按需提取、捕获和存储水。
本公开的各方面致力于具有用于从系统排气中解脱出夹带的水的伴随的控制逻辑的燃料电池系统架构。通过非限制性示例，呈现了一种用于从电化学燃料电池堆的排气输出中提取水的排气后处理系统，该电化学燃料电池堆可操作为将基于氢的燃料转化为电。排气后处理系统包括冷凝物发生器，该冷凝物发生器流体地连接到燃料电池堆以接收自其输出的排气。冷凝物发生器包括具有制冷剂管线的蒸发器芯，该制冷剂管线具有经由制冷剂流体的受控循环来主动地冷却排气。流体地连接到冷凝物发生器以接收冷却的排气的冷凝物收集器包括贮器壳体，在该贮器壳体中包含冷凝物捕集器。冷凝物捕集器从冷却的排气中分离出夹带的水蒸气，并且贮器壳体将分离出的水蒸气收集作为液态水。后处理系统还包括液体存储容器，该液体存储容器流体地连接到冷凝物收集器以自其接收并存储所收集的水。流体地连接到冷凝物发生器的膨胀装置选择性地调节从制冷剂系统接收并通过制冷剂管线进入蒸发器芯中的制冷剂流体的量。
本公开的附加方面致力于具有用于从由车辆的燃料电池系统输出的排气中提取夹带的水的后处理系统的电驱动车辆。如本文中所使用的，术语“车辆”和“机动车辆”可互换地和同义地使用以包括任何相关的车辆平台，诸如乘用车辆（例如，混合动力电动、全电动、完全和部分自主等）、商用车辆、工业车辆、履带车辆、越野和全地形车辆（ATV）、摩托车、农用设备、船只、飞机等。可同样地在汽车和非汽车应用等中采用所公开的燃料电池堆和后处理系统，包括例如用于为住宅和商业装置供电的便携式燃料电池发电机、以及例如用于为机场、医院、学校、银行等供电的固定燃料电池发电厂。在示例中，呈现了一种电驱动车辆，其包括具有多个行走轮和其他标准原始设备的车辆本体。具有原动机的动力总成系统也安装到车辆本体，该动力总成系统可包括一个或多个牵引马达，所述牵引马达单独地或与内燃发动机结合操作来驱动行走轮中的一者或多者，以由此推进车辆。车辆还配备有输出相控制冷剂的制冷剂系统、以及可操作来为（一个或多个）电动牵引马达提供动力的燃料电池系统。
继续以上示例的讨论，电驱动车辆还包括燃料电池排气后处理系统，该燃料电池排气后处理系统由冷凝物发生器、冷凝物收集器、液体存储容器、膨胀装置以及可选地两相流分离器组成。冷凝物发生器例如经由可选的气体-气体热交换器流体地连接到燃料电池堆，以接收从所述堆输出的排气。冷凝物发生器包括具有制冷剂管线的蒸发器芯，该制冷剂管线经由从制冷剂系统接收的制冷剂流体的受控循环来协作地冷却所述堆的排气。冷凝物收集器流体地连接到冷凝物发生器以自其接收冷却的排气。冷凝物收集器包括：冷凝物捕集器，其从冷却的排气中分离出夹带的水蒸气；以及贮器壳体，其将分离出的水蒸气收集作为液态水。液体存储容器例如经由泵和过滤器流体地连接到冷凝物收集器，以接收和存储所收集的液态水。流体地插置在制冷剂系统和冷凝物发生器之间的膨胀装置选择性地调节从制冷剂系统接收并通过制冷剂管线进入蒸发器芯中的制冷剂的量。
本公开的附加方面致力于用于制造或用于使用所公开的车辆、燃料电池堆和/或后处理系统中的任一者的控制算法和存储器存储的处理器可执行指令。在示例中，呈现了一种用于管控用于燃料电池堆的排气后处理系统的操作的方法。该代表性方法包括以任何顺序并以与上文和下文所公开的选项和特征中的任一者的任何组合的以下各者：经由冷凝物发生器接收从燃料电池堆输出的排气；通过冷凝物发生器的蒸发器芯和制冷剂管线经由制冷剂流体的受控循环来主动地冷却排气；经由流体地连接到冷凝物发生器的冷凝物收集器来接收冷却的排气；经由包含在冷凝物收集器的贮器壳体中的冷凝物捕集器从冷却的排气中分离出夹带的水蒸气；经由贮器壳体将分离出的水蒸气收集作为液态水；经由流体地连接到冷凝物收集器的液体存储容器来接收并存储所收集的液态水；以及经由流体地连接到冷凝物发生器的膨胀装置来选择性地调节从制冷剂系统接收并通过制冷剂管线进入蒸发器芯中的制冷剂流体的量。
本发明还涉及如下技术方案：
方案1. 一种用于电化学燃料电池堆的排气后处理系统，所述电化学燃料电池堆能够操作为将基于氢的燃料转化为电，所述排气后处理系统包括：
冷凝物发生器，所述冷凝物发生器被构造成流体地连接到所述燃料电池堆以接收从所述燃料电池堆输出的排气，所述冷凝物发生器包括具有制冷剂管线的蒸发器芯，所述制冷剂管线被构造成经由制冷剂流体的受控循环来主动地冷却所述排气；
冷凝物收集器，所述冷凝物收集器流体地连接到所述冷凝物发生器以从所述冷凝物发生器接收冷却的排气，所述冷凝物收集器包括贮器壳体，在所述贮器壳体中包含冷凝物捕集器，所述冷凝物捕集器被构造成从所述冷却的排气中分离出夹带的水蒸气，所述贮器壳体将分离出的水蒸气收集作为液态水；
液体存储容器，所述液体存储容器流体地连接到所述冷凝物收集器以从所述冷凝物收集器接收并存储所收集的液态水；以及
膨胀装置，所述膨胀装置流体地连接到所述冷凝物发生器并且被构造成选择性地调节从制冷剂系统接收并通过所述制冷剂管线进入所述蒸发器芯中的所述制冷剂流体的量。
方案2. 根据方案1所述的排气后处理系统，其还包括排气预调节器，所述排气预调节器流体地连接到在所述蒸发器芯上游的所述冷凝物发生器，所述排气预调节器包括气体-气体热交换器，所述气体-气体热交换器被构造成被动地冷却从所述燃料电池堆输出的所述排气，之后由所述冷凝物发生器接收所述排气。
方案3. 根据方案2所述的排气后处理系统，其中，所述气体-气体热交换器包括交换器壳体，所述交换器壳体具有：第一空气管道，其被构造成将所述排气预调节器流体地连接到所述冷凝物发生器和所述燃料电池堆以使从所述燃料电池堆输出的排气穿过所述排气预调节器；以及第二空气管道，其将所述排气预调节器流体地连接到所述冷凝物收集器和排气管线以使从所述水蒸气中分离出的所述冷却的排气穿过其中，使得所述冷却的排气对排气输出进行预冷却。
方案4. 根据方案3所述的排气后处理系统，其中，所述气体-气体热交换器还包括：第一组基本上平行的流动通路，其流体地连接到所述第一空气管道；以及第二组基本上平行的流动通路，其流体地连接到所述第二空气管道并且与所述第一组平行的流动通路交错。
方案5. 根据方案1所述的排气后处理系统，其中，所述膨胀装置包括控制器自动膨胀阀、恒温膨胀阀、毛细管装置和/或孔口管装置。
方案6. 根据方案1所述的排气后处理系统，其中，所述冷凝物发生器还包括芯壳体，所述芯壳体具有：排气入口端口和出口端口，其被构造成使从所述燃料电池堆输出的所述排气穿过其中；以及制冷剂入口端口和出口端口，其被构造成使所述制冷剂流体穿过其中。
方案7. 根据方案1所述的排气后处理系统，其中，所述贮器壳体包括：贮器入口端口和出口端口，其被构造成使从所述冷凝物发生器输出的所述冷却的排气穿过其中；以及集水槽端口，其流体地连接到所述液体存储容器并且被构造成输出由所述贮器壳体收集的所述液态水。
方案8. 根据方案6所述的排气后处理系统，其中，所述冷凝物收集器还包括水泵，所述水泵流体地连接到所述集水槽端口，并且被构造成选择性地将所收集的液态水从所述贮器壳体泵送到所述液体存储容器。
方案9. 根据方案6所述的排气后处理系统，其中，所述贮器壳体被构造成使穿过所述排气后处理系统的噪声和振动衰减。
方案10. 根据方案9所述的排气后处理系统，其中，所述贮器壳体在其中包括一组穿孔管，所述一组穿孔管协作地被设计成反射并由此阻尼由所述制冷剂系统产生的声波。
方案11. 根据方案1所述的排气后处理系统，其还包括两相流分离器，所述两相流分离器流体地插置在所述冷凝物发生器和所述冷凝物收集器之间，并且被构造成开始从所述冷却的排气中分离出所述水蒸气。
方案12. 根据方案11所述的排气后处理系统，其中，所述两相流分离器包括分离器壳体，所述分离器壳体具有：分离器入口端口和出口端口；以及螺旋叶片，其在所述分离器壳体内在所述分离器入口端口和出口端口之间轴向地伸长，所述螺旋叶片被构造成将离心力赋予所述冷却的排气以由此开始从所述冷却的排气中分离出所述水蒸气。
方案13. 根据方案1所述的排气后处理系统，其中，所述液体存储容器包括具有阀的不透流体的存储罐，通过所述阀，从所述液体存储容器选择性地排放所存储的液态水。
方案14. 根据方案13所述的排气后处理系统，其中，所述液体存储容器还包括：过滤器，其被构造成至少部分地净化所存储的液态水；以及水泵，其被构造成从所述液体存储容器泵送所存储的液态水。
方案15. 一种电驱动车辆，其包括：
车辆本体，其具有附接到所述车辆本体的多个行走轮；
电动牵引马达，其附接到所述车辆本体并且被构造成驱动所述行走轮中的一个或多个，由此推进所述电驱动车辆；
制冷剂系统，其被构造成从所述制冷剂系统输出制冷剂流体；
燃料电池系统，其能够操作为为所述电动牵引马达提供动力并且包括燃料电池堆，所述燃料电池堆具有阴极、阳极、以及安置在所述阴极和阳极之间的质子交换膜；以及
燃料电池排气后处理系统，其包括：
冷凝物发生器，所述冷凝物发生器流体地连接到所述燃料电池堆以接收从所述燃料电池堆输出的排气，所述冷凝物发生器包括具有制冷剂管线的蒸发器芯，所述制冷剂管线被构造成经由从所述制冷剂系统接收的所述制冷剂流体的受控循环来主动地冷却所述排气；
冷凝物收集器，所述冷凝物收集器流体地连接到所述冷凝物发生器以从所述冷凝物发生器接收冷却的排气，所述冷凝物收集器包括贮器壳体，在所述贮器壳体中包含冷凝物捕集器，所述冷凝物捕集器被构造成从所述冷却的排气中分离出夹带的水蒸气，所述贮器壳体将分离出的水蒸气收集作为液态水；
液体存储容器，所述液体存储容器流体地连接到所述冷凝物收集器以从所述冷凝物收集器接收并存储所收集的液态水；以及
膨胀装置，所述膨胀装置流体地插置在所述制冷剂系统和所述冷凝物发生器之间，并且被构造成选择性地调节从所述制冷剂系统接收并通过所述制冷剂管线进入所述蒸发器芯中的所述制冷剂流体的量。
方案16. 一种用于控制排气后处理系统的操作的方法，所述排气后处理系统流体地连接到电化学燃料电池堆，所述方法包括：
经由冷凝物发生器接收从所述燃料电池堆输出的排气；
通过所述冷凝物发生器的具有制冷剂管线的蒸发器芯经由制冷剂流体的受控循环来主动地冷却所述排气；
经由流体地连接到所述冷凝物发生器的冷凝物收集器来接收冷却的排气；
经由包含在所述冷凝物收集器的贮器壳体中的冷凝物捕集器从所述冷却的排气中分离出夹带的水蒸气；
经由所述贮器壳体将分离出的水蒸气收集作为液态水；
经由流体地连接到所述冷凝物收集器的液体存储容器从贮器壳体接收并存储所收集的液态水；以及
经由流体地连接到所述冷凝物发生器的膨胀装置来选择性地调节从制冷剂系统接收并通过所述制冷剂管线进入所述蒸发器芯中的所述制冷剂流体的量。
方案17. 根据方案16所述的方法，其还包括：经由排气预调节器的气体-气体热交换器来被动地冷却从所述燃料电池堆输出的所述排气，之后由所述冷凝物发生器接收所述排气，所述排气预调节器流体地连接到在所述蒸发器芯上游的所述冷凝物发生器。
方案18. 根据方案16所述的方法，其中，所述膨胀装置包括控制器自动膨胀阀或恒温膨胀阀。
方案19. 根据方案16所述的方法，其中，所述冷凝物发生器还包括芯壳体，所述芯壳体具有：排气入口端口和出口端口，其被构造成使从所述燃料电池堆输出的所述排气穿过其中；以及制冷剂入口端口和出口端口，其被构造成使所述制冷剂流体穿过其中。
方案20. 根据方案16所述的方法，其中，所述贮器壳体包括：贮器入口端口和出口端口，其被构造成使从所述冷凝物发生器输出的所述冷却的排气穿过其中；以及集水槽端口，其流体地连接到所述液体存储容器并且被构造成输出由所述贮器壳体收集的所述液态水。
以上发明内容并非旨在代表本公开的每个实施例或每个方面。相反，前面的发明内容仅仅提供了本文中所阐述的新颖构思和特征中的一些的举例说明。当结合附图和所附权利要求书时，从对用于实施本公开的所图示的示例和代表性模式的以下详细描述中，本公开的以上特征和优点、以及其他特征和附随优点将容易显而易见。此外，本公开明确包括上文和下文所呈现的元件和特征的任何和所有组合和子组合。
附图说明
图1是根据本公开的各方面的代表性机动车辆的透视图图示，其具有代表性燃料电池堆架构的插页示意图，该燃料电池堆架构具有排气后处理系统。
图2是根据所公开的构思的各方面的图示用于从燃料电池系统排气中提取夹带的水的代表性排气后处理协议的流程图，所述排气后处理协议可对应于由车载或远程控制器、控制逻辑电路、可编程电子控制单元或其他集成电路（IC）装置或IC装置的网络执行的存储器存储的指令。
本公开易于作出各种修改和替代形式，并且一些代表性实施例已通过示例的方式在附图中示出并且在本文中将进行详细描述。然而，应理解，本公开的新颖方面不限定于上文枚举的附图中所图示的特定形式。相反，本公开将覆盖落入如由所附权利要求书涵盖的本公开的范围内的所有修改、等同物、组合、子组合、排列、分组以及替代方案。
具体实施方式
本公开容许许多不同形式的实施例。本公开的代表性实施例在附图中示出并且将在本文中进行详细描述，应理解这些实施例被提供作为所公开的原理的举例说明，对本公开的广泛方面无限制。在一定程度上，例如在摘要、技术领域、背景技术、发明内容和具体实施方式部分中描述但权利要求书中并未明确阐述的元件和限制不应单独地或共同地通过隐含、推断或其他方式并入到权利要求书中。
为了本具体实施方式的目的，除非明确地放弃保护，否则：单数包括复数且反之亦然；词语“和”和“或”应两者都为联合的和非联合的；词语“任何”和“所有”应两者都意指“任何和所有”；并且词语“含有”、“包含”、“包括”、“具有”等等应各自意指“包括但不限于”。此外，例如，诸如“约”、“几乎”、“基本上”、“一般地”、“大约”等等近似词语在本文中可各自在“处于、接近或几乎处于”或“在……的0％到5％以内”或“在可接受的制造公差内”或其任何逻辑组合的意义上使用。最后，方向性形容词和副词（诸如，前侧、后侧、内侧、外侧、右舷、左舷、竖直、水平、向上、向下、前、后、左、右等）可相对于机动车辆而言，诸如当机动车辆操作性地定向在水平驾驶表面上时该车辆的向前驾驶方向。
现在参考附图，其中，相似的附图标记贯穿若干视图指代相似的特征，图1中示出了代表性汽车，该汽车一般地被标示为10并且为了讨论的目的而被描绘为轿车式混合动力电动或全电动（“电驱动”）乘用车辆。代表性燃料电池系统被包装在汽车10的车辆本体12内，该燃料电池系统一般地被标示为14，其用于为一个或多个牵引马达（诸如，电动马达发电机单元（MGU）16）提供动力，所述牵引马达可操作以用于驱动车辆的行走轮18。所图示的汽车10——在本文中也简称为“机动车辆”或“车辆”——仅是示例性应用，在该示例性应用的情况下可实践本公开的各方面和特征。同样地，将本构思实施到PEMFC型燃料电池系统14中也应被了解为本文中所公开的新颖构思的示例性应用。因而，将理解的是，本公开的各方面和特征可应用于其他燃料电池系统架构，被利用于其他汽车和非汽车应用，并且通过任何逻辑上相关类型的机动车辆来实施。最后，本文中呈现的附图不一定按比例绘制，并且仅出于指导目的而提供。因此，附图中所示的特定和相对尺寸将不被解释为限制性的。
图1的质子交换膜燃料电池系统14配备有一个或多个燃料电池堆20，所述燃料电池堆中的每一者由PEM型的多个燃料电池22组成，这些燃料电池彼此电串联或并联安装。在所图示的架构中，每个燃料电池22是多层构造，其具有通过质子导电性全氟磺酸膜28分离的阳极侧24和阴极侧26。阳极扩散介质层30设置在PEMFC 22的阳极侧24上，其中阳极催化剂层32插置在膜28和对应的扩散介质层30之间并且操作性地连接这两者。同样，阴极扩散介质层34设置在PEMFC 22的阴极侧26上，其中阴极催化剂层36插置在膜28和对应的扩散介质层34之间并且操作性地连接这两者。这两个催化剂层32和36与膜28协作，以全部或部分地限定MEA38。为保持直截了当和简洁，仅机动车辆10和燃料电池系统14的选择部件已被示出并且在本文中将以附加细节进行描述。尽管如此，下文所讨论的车辆、系统和装置可包括众多附加和替代特征、以及其他商业可获得的外围部件，例如以实施本公开的各种协议和算法。
扩散介质层30和34是多孔构造，其提供到MEA 38的流体入口输送以及从其的流体排气输送。阳极流场板（或“第一双极板”）40以与阳极扩散介质层30邻接的方式设置在阳极侧24上。同样地，阴极流场板（或“第二双极板”）42以与阴极扩散介质层34邻接的方式设置在阴极侧26上。冷却剂流动通道44横越双极板40和42中的每一者，以允许冷却流体流过燃料电池22。相应的流体入口端口和歧管将氢燃料和氧化剂引导到阳极流场板和阴极流场板中的通路。MEA 38和双极板40、42可一起堆叠在不锈钢夹持板41和43与单极端板（未示出）之间。这些夹持板41、43可通过垫圈或介电涂层（未示出）与端板电绝缘。燃料电池系统14还可采用阳极再循环，其中阳极再循环气体从排气歧管馈送通过阳极再循环管线以用于使氢再循环回到阳极侧24输入，以便节约堆20中的氢气。
氢（H2）入口流——无论是气态的，浓缩的，夹带的还是其他形式的——经由联接到（第一）流体引入导管或软管48的流体喷射器47而从氢/氮源46传输到燃料电池堆20的阳极侧24。阳极排气经由（第一）流体排气导管或软管50而离开堆20；阳极排气导管50将排气引导到排气后处理系统70。面对质子导电膜28的阳极双极板40的中央活性区域可制造有工作面，该工作面的阳极流场具有用于将氢分布遍及膜28的相对面的蛇形流动通道。压缩机或泵52经由（第二）流体引入导管或软管54将（例如，环境空气、去离子水（DI H2O）和/或浓缩气态氧（O2）的）阴极入口流提供给堆20的阴极侧26。阴极排气经由（第二）流体排气导管或软管56从堆20输出；阴极排气导管56将排气引导到排气歧管58以用于在传输后处理系统70之前与阳极排气进行组合。流量控制阀、流量限制件、过滤器和用于调节流体流量的其他合适装置能够由图1的燃料电池系统14实施。例如，氢放泄阀49放泄出或以其他方式重定向从阳极的流体引入导管48到阴极入口的计量体积的氢流（例如，经由流体引入导管54）。同样地，氧旁通阀51绕过或以其他方式将计量体积的空气重定向到一个或两个排气导管50、56，使得稀释了出口氢浓度。
可编程电子控制单元（ECU）60帮助控制燃料电池系统14的操作。作为示例，ECU 60从温度传感器62接收一个或多个温度信号T1，所述温度信号指示燃料电池堆20的温度；ECU60可被编程为响应性地发出一个或多个命令信号C1以调整堆20和/或排气后处理系统70的操作。图1的ECU 60还从电压传感器64接收一个或多个电压信号V1；ECU 60可被编程为响应性地发出一个或多个命令信号C2以调整氢源46和/或压缩机/泵52的操作，由此调节堆20的电输出。图1的ECU 60还被示为从水位指示器66接收一个或多个液位信号L1；ECU 60可被编程为响应性地发出一个或多个命令信号C3以调整排气后处理系统70的操作。附加的传感器信号SN可由ECU 60接收，并且附加的控制命令CN可从ECU 60发出，例如以控制本文中图示和/或描述的任何其他子系统或部件。在下文中更详细地讨论可由ECU 60执行的用于从燃料电池排气中提取夹带的水的示例性算法。在图1中，源自或延伸到ECU 60的箭头象征着电子信号或其他通信交换，通过所述电子信号或其他通信交换，数据和/或控制命令从一个部件传输到另一部件。
继续参考图1，燃料电池系统14设置有燃料电池排气后处理系统70，该燃料电池排气后处理系统被设计成从系统的（一个或多个）燃料电池堆20的富含水分的排气中提取并转移液态水。附图中描绘的代表性后处理系统70由六个主要子系统部件组成：排气预调节器72、冷凝物发生器74、两相流分离器76、膨胀装置78、冷凝物收集器80和液体存储容器82。图1中所图示的后处理系统70架构允许用户捕获和存储液态水，液态水是燃料电池的发电过程的自然副产品。系统70还将允许用户或在完全或部分自动化系统的情况下允许可编程电子控制器决定如何生成水。所公开的构思中的至少一些的伴随益处可包括改善的燃料电池系统可靠性、增加的系统效率、在冷/冻结开始期间减少的启动时间、减少的系统排放以及降低的总系统成本。系统还能够被构造成绕过围绕系统70的一些或所有排气流以减小排气背压，或者在冻结温度操作期间绕过围绕系统70的一些或所有排气流。
排气预调节器72是被动式冷却装置，其回收从冷凝物发生器74再循环回的制冷后的排气E REF ，以预冷却经由后处理系统70从（一个或多个）燃料电池堆20接收的传入的燃料电池排气E IN 。根据图1的代表性架构，排气预调节器72插置在冷凝物发生器74和（一个或多个）燃料电池堆20之间，所述燃料电池堆流体地连接在冷凝物发生器的蒸发器芯75的上游以及堆的排气导管50、56和歧管58的下游。排气预调节器72可具有气体-气体型热交换器的性质，该气体-气体型热交换器被设计成被动地冷却从燃料电池22输出的排气，之后由冷凝物发生器74接收该排气。虽然在上文被枚举为排气后处理系统70的六个主要子系统部件中的一者，但是所设想的是，例如，对于在温和的或寒冷的操作条件下的应用，排气预调节器72可从后处理系统70架构中消除。此外，排气预调节器72可在本公开的预期范围内采取多种不同形式，包括气体-气体、气体-空气和气体-液体型被动式热交换器。
图1的排气预调节器72组件由具有第一组空气管道73（例如，堆排气入口和出口集管）的不透流体的外壳体（“交换器壳体”）71组成，该第一组空气管道将冷凝物发生器74流体地连接到燃料电池堆20，使得传入的燃料电池排气E IN 穿过存放在壳体71内部的气体-气体热交换器。交换器壳体71还制造有第二组空气管道77（例如，回收的排气入口和出口集管），该第二组空气管道将冷凝物收集器80流体地连接到排气管线84，使得制冷后的排气E REF 穿过气体-气体热交换器并从燃料电池系统14中出来。气体-气体热交换器可一般地由以下各者组成：第一组基本上平行的流动通路79（例如，由第一堆间隔开的细金属管道所限定），其流体地连接第一空气管道73的入口端和出口端；以及第二组基本上平行的流动通路81（例如，由第二堆间隔开的细金属管道所限定），其流体地连接第二空气管道77的入口端和出口端。第一组流动通路79与第二组流动通道81相互平行并且交错（例如，呈十字形图案）。利用这种构型，制冷剂冷却的气态排气从冷凝物发生器74返回，并且被排气预调节器72重新目的化以通过交错的通路79、81的分离壁经由导热率“预冷却”由堆20输出的排气。以这种方式对燃料电池排气的被动式冷却允许排气后处理系统70在没有附加能量消耗的情况下冷却传入的排气，因此，增加了系统70的整体效率。
通过与由排气预调节器72提供的被动式冷却能力的对比，冷凝物发生器74是提供主动式冷却能力的基于制冷剂的热交换系统。根据图1的代表性架构，冷凝物发生器74插置在排气预调节器72和冷凝物收集器80之间，并且流体地连接在气体-气体热交换器的下游以接收自其输出的预调节的排气E PRC 。冷凝物发生器74组件一般地由蒸发器芯75组成，该蒸发器芯与制冷剂管线83协作以经由从制冷剂系统86接收的冷却的制冷剂流体的受控循环来主动地冷却排气EPRC。蒸发器芯75存储在绝热的外壳体（“芯壳体”）85内部，所述外壳体分别具有排气入口端口87和排气出口端口89以用于引入和排放预调节的排气E PRC 。芯壳体85还分别制造有用于引入和排放制冷剂流体的制冷剂入口端口91和制冷剂出口端口93。
在燃料电池堆操作期间，制冷剂系统86（其可包括操作性地联接到流体冷凝器90的容积式或水动力压缩机88）经由制冷剂入口端口91将高压低焓的制冷剂流体（液体和蒸气）供应到冷凝物发生器74。在排气E PRC 穿过蒸发器芯75时，冷的制冷剂流体循环通过制冷剂管线83。循环的制冷剂将预冷却的燃料电池排气E PRC 充分地冷却到引发排气内夹带的水蒸气冷凝的温度。此后，高焓、低压的制冷剂流体（气体）从蒸发器芯75返回到制冷剂系统86。对于至少一些期望的系统构型，可将被设计成存储和干燥制冷剂的接收器干燥器并入到制冷剂系统86中，该制冷剂系统位于冷凝器90的下游（例如，在使用TXV或eXV的应用中）。在这方面，用于收集和干燥制冷剂的蓄能器干燥器可放置在压缩机88的下游和冷凝器90的上游（例如，在采用孔口管或毛细管的系统架构中）。作为另外的选项，膨胀装置78可被并入到制冷剂系统86中，或者如图所示，可被包装为可由车辆驾驶员或乘员容易接近的离散部分。
利用前述系统架构，冷凝物发生器74可独立于排气预调节器72或与排气预调节器72协同操作。例如，排气后处理系统70可在被动式冷却模式下操作，其中冷凝物发生器74被停用和/或制冷剂系统86被重定向为对车厢进行冷却，使得使用预调节器72几乎仅基于环境温度从燃料电池排气中提取水。后处理系统70也可在节能混合冷却模式下操作，其中冷凝物发生器74被激活，制冷剂系统86在后处理系统70和车厢之间分割冷却，并且基于被动式和主动式热交换的组合从燃料电池排气中提取水。作为另外的选项，后处理系统70可在高输出主动式冷却模式下操作，其中大部分/全部压缩机输出被引导到冷凝物发生器74以最大程度地捕获H2O。
蒸发器芯75的热输出可由膨胀装置78进行调整，该膨胀装置可以是孔口装置、毛细管、气动控制的流量控制装置、或由常驻控制器（诸如，可编程ECU 60）管控的电子装置。在这方面，膨胀装置78可具有恒温膨胀阀或控制器自动膨胀阀的性质，所述恒温膨胀阀或控制器自动膨胀阀将制冷剂系统86的高压侧和低压侧分离并伴随地调节液体制冷剂流入蒸发器芯75中的速率。恒温膨胀阀（TXV）可使用温度敏感的气动控制系统来调节制冷剂流，而电子膨胀阀（eXV）可使用步进马达、外部压力和温度传感器、以及计算机控制系统来调节制冷剂流。该膨胀装置78还允许在给定的操作压力下针对期望的蒸发器温度来调整制冷剂流（例如，在燃料电池系统14的瞬时操作条件期间）。附加地，膨胀装置78有助于确保气态（蒸气）制冷剂而不是液体制冷剂返回到压缩机88。经由膨胀装置78对制冷剂温度的恰当控制还有助于减少跨越蒸发器面的温度变化，由此最大程度地收集水。
两相流分离器76被定位在冷凝物发生器74和冷凝物收集器80之间，该两相流分离器被动地开始从冷却的排气E COOL （从蒸发器芯75接收到）中分离出夹带的水。根据所图示的示例，两相流分离器76组件制造有刚性外壳体（“分离器壳体”）95，该外壳体具有分别用于引入和排放排气E COOL 的入口端口和出口端口。固定螺旋叶片97在分离器壳体95内轴向地伸长，从而在分离器的入口端口和出口端口之间延伸。该螺旋叶片97引起冷却的排气E COOL 以涡旋状运动旋转或“搅拌”；这将离心力赋予排气E COOL 流，由此开始在冷却的排气E COOL 中分离出气相和液相。两相流分离器76还可帮助从排气流中去除固体杂质和其他污染物。
冷凝物收集器80在两相流分离器76的下游，该冷凝物收集器用于从排气流中捕集和收集液态水并将其选择性地转移到液体存储容器82。如图所示，冷凝物收集器80组件设置有具有液位开关101的不透流体的外壳体（“贮器壳体”）99，该液位开关用于测定在贮器壳体99的基部中作为液态水积聚的冷凝物的量。贮器壳体99形成有入口端口103和出口端口105，冷却的排气E COOL 分别通过所述入口端口和出口端口从冷凝物发生器74被接收以及输出到排气预调节器72。集水槽端口和管线107将冷凝物收集器80流体地连接到液体存储容器82，使得由贮器壳体99收集的液态水W LIQ 可在其间转移。安装在贮器壳体99内部的冷凝物捕集器109起到以下作用：从冷却的排气E COOL 中解脱出夹带的水、使制冷后的排气E REF 返回到排气预调节器72以用于对传入的排气E IN 进行预冷却（如上文所描述）、以及将提取的水重定向到贮器壳体99的基部。流体地连接到集水槽端口107的水贮器泵111可操作为选择性地将所收集的液态水从贮器壳体99泵送到液体存储容器82。水贮器泵111的操作可以是自动化的，例如经由ECU 60，基于经由液位开关101检测到的水位和/或在冻结环境温度的情况下。
继续参考图1的插图，冷凝物收集器80还用作消音容积以减轻穿过排气后处理系统70的噪声和振动。作为非限制性示例，贮器壳体99可被成形为以预定的共振频率振动并由此使从制冷剂系统86传输的压缩机噪声和振动衰减。作为另一种或替代性选项，用于形成冷凝物捕集器109的流体导管中的一者或多者可包括一组穿孔管113，该组穿孔管协作地被设计成反射并由此阻尼由制冷剂系统86传播的声波。
液体存储容器82可一般地包括一个或多个不透流体的存储罐115，例如，如果需要饮用水，则其中存放可选的水分配泵117和水过滤器119。可通过任何合适的方式实现水过滤，包括打褶的织物滤袋或活性炭滤筒。水分配泵117给予所存储的水，并且与水贮器泵111一样，在冻结条件下可自动地排干存储容器82。不透流体的存储罐115设置有手动阀或电子阀121，通过该手动阀或电子阀，从液体存储容器82选择性地排放所存储的液态水。水位指示器66输出指示存在于存储容器82中的实时水量的传感器信号。
接下来参考图2的流程图，根据本公开的各方面，用于从电驱动车辆（诸如，图1的车辆10）的燃料电池系统（诸如，图1的燃料电池系统14）的排气中提取夹带的水的改善的排气后处理协议一般地描述为200。图2中所图示且下文进一步详细描述的操作中的一些或全部可代表对应于可存储在例如主或辅助或远程存储器中并且例如由车载或车外控制器、处理单元、控制逻辑电路或其他模块或装置或者模块/装置的网络执行的处理器可执行指令的算法，以执行上文或下文所描述的与所公开的构思相关联的功能中的任一者或全部。应认识到，可改变所图示的操作框的执行顺序，可添加附加的框，并且可修改、组合或消除所描述的框中的一些。
方法200开始于图2的端点框201处，其具有用于可编程控制器或控制模块或类似地合适的处理器的处理器可执行指令，以调用用于实时燃料电池排气水提取协议的初始化程序。该例程可在主动或自主车辆操作期间实时地、连续地、系统地、偶发地和/或以规则的时间间隔（例如，每100毫秒）执行。作为又一选项，框201可响应于来自车辆的乘员的用户提示或来自负责收集、分析、分类、存储和分配车辆命令和数据的后端或中间件计算节点的广播提示信号进行初始化。为实施此协议，车辆控制系统或者一个或多个子系统的任何组合可以是可操作的，以接收、处理和合成相关信息和输入，并且执行控制逻辑和算法来调节各种动力总成系统、采暖、通风和冷却（HVAC）系统、燃料电池系统和/或电池系统部件以实现所期望的控制目标。
从端点框201前进到预定义过程框203，图2的方法200开始使用排气水提取系统（诸如，图1的排气后处理系统70）进行水捕获。如上文描述的，燃料电池排气水提取可从被动式热交换器（诸如，图1的排气预调节器72中的气体-气体热交换器）开始，该被动式热交换器接收从燃料电池堆（诸如，（一个或多个）燃料电池堆20）输出的排气。被动式热交换器对排气进行预调节并将该冷却的排气转移到主动式热交换器。例如，图1的冷凝物发生器74接收从排气预调节器72输出的预调节的排气E PRC 。在接收到预冷却的排气之后，主动式热交换器例如通过蒸发器芯内部的制冷剂管线经由制冷剂流体的受控循环来对排气进行冷却。旋风式相分离器（诸如，图1的两相流分离器76）流体地连接到主动式热交换器，并且开始从冷却的排气中分离出夹带的水蒸气。
图2的预定义过程框203的水捕获操作还可包括冷凝捕集和收集装置（诸如，图1的冷凝物收集器80），该冷凝捕集和收集装置接收冷却的排气、捕获从冷却的排气中分离出的水蒸气且同时将所捕集的水蒸气收集作为液态水。不透流体的贮器（诸如，液体存储容器82）接收并存储所收集的液态水以供将来使用，例如经由车辆动力总成或HVAC系统或者经由车辆乘员或第三方用户。可经由合适的流量控制装置（诸如，图1的膨胀装置78）来选择性地调节从制冷剂系统接收并进入主动式热交换器中的排气冷却制冷剂的量。
在开始燃料电池排气水捕获之前、同时或之后，用户或系统控制器可选择性地调整由排气水提取系统获取和存储的水量。图2的输入/输出框205例如包括接收（例如，经由合适的人机接口（HMI）从用户）或传输（例如，通过合适的网络连接接口经由常驻车辆控制器）用于排气水提取系统的模式选择。在判定框207处，方法200确定所选择的模式是否为被动式冷却模式。如果是这样（框207=是（Y）），则方法200前进到具有处理器可执行指令的过程框209，以将去激活信号传输到主动式热交换装置（例如，冷凝物发生器74）和/或将关闭流量控制信号传输到制冷剂阀（例如，膨胀装置78）以中断到主动式热交换装置的制冷剂流。一旦完成这些措施，图2的方法200就可从过程框209前进到端点框211并终止，或者可循环回到端点框201并连续循环地运行。
在确定所选择的模式不是被动式冷却（框207=否（N））时，方法200进行到方法200的判定框213，以确定所选择的模式是否为正常（“混合”）冷却模式。如果是这样（框213=是（Y）），则方法200前进到具有处理器可执行指令的过程框215，以将激活信号传输到主动式热交换装置（例如，冷凝物发生器74）和/或将分流控制信号传输到制冷剂阀（例如，膨胀装置78）以在主动式热交换装置和对车辆的乘客舱进行冷却和加热的车辆HVAC系统之间对制冷剂流进行分流。如果所选择的模式不是正常（“混合”）冷却模式（框213=否（N）），则方法200进行到判定框217以确定所选择的模式是否为最大水提取模式。如果是这样（框217=是（Y）），则方法200前进到具有处理器可执行指令的过程框219，以将激活信号传输到主动式热交换装置（例如，冷凝物发生器74）和/或将最大流量控制信号传输到制冷剂阀（例如，膨胀装置78）以将大部分/全部制冷剂流传输到主动式热交换装置。一旦过程框215或219完成，图2的方法200就前进到端点框211或循环回到端点框201。
在一些实施例中，可通过计算机可执行的指令程序（诸如，程序模块）来实施本公开的各方面，所述指令模块一般地被称为由本文中所描述的控制器或控制器变型中的任一者执行的软件应用或应用程序。在非限制性示例中，软件可包括执行特定任务或实施特定数据类型的例程、程序、对象、部件和数据结构。软件可形成接口以允许计算机根据输入源做出反应。软件还可与其他代码段协作以响应于结合接收到的数据的源所接收到的数据来开始多种任务。软件可存储在多种存储器介质中的任一种上，所述多种存储器介质诸如为CD-ROM、磁盘、磁泡存储器和半导体存储器（例如，各种类型的RAM或ROM）。
此外，可利用多种计算机系统和计算机网络构型来实践本公开的各方面，所述计算机系统和计算机网络构型包括多处理器系统、基于微处理器或可编程消费电子设备、小型计算机、大型计算机等等。另外，可在分布式计算环境中实践本公开的各方面，在所述分布式计算环境中，由通过通信网络链接的常驻和远程处理装置来执行任务。在分布式计算环境中，程序模块可位于包括存储器存储装置的本地和远程计算机存储介质两者中。因此，可在计算机系统或其他处理系统中结合各种硬件、软件或其组合来实施本公开的各方面。
本文中所描述的方法中的任一种均可包括机器可读指令以供由以下各者执行：（a）处理器，（b）控制器和/或（c）任何其他合适的处理装置。本文中所公开的任何算法、软件、控制逻辑、协议或方法均可被体现为存储在诸如以下各者的有形介质上的软件：例如，快闪存储器、CD-ROM、软盘、硬盘驱动器、数字通用光盘（DVD）、或其他存储器装置。完整的算法、控制逻辑、协议或方法和/或其部分可替代地由除控制器之外的装置执行和/或以可用的方式被体现在固件或专用硬件中（例如，由专用集成电路（ASIC）、可编程逻辑装置（PLD）、现场可编程逻辑装置（FPLD）、离散逻辑等实施）。进一步地，尽管参考本文中所描绘的流程图描述了特定算法，但是可替代地使用许多其他方法来实施示例机器可读指令。
已参考所图示的实施例来详细描述本公开的各方面；然而，本领域技术人员将认识到，在不脱离本公开的范围的情况下可对其进行许多修改。本公开不限于本文中所公开的精确构造和组成；从前述描述显而易见的任何和所有修改、改变和变化均在如由所附权利要求限定的本公开的范围内。此外，本构思明确地包括前述元件和特征的任何和所有组合和子组合。

Claims (17)

1.一种用于电化学燃料电池堆的排气后处理系统，所述电化学燃料电池堆能够操作为将基于氢的燃料转化为电，所述排气后处理系统包括：
冷凝物发生器，所述冷凝物发生器被构造成流体地连接到所述燃料电池堆以接收从所述燃料电池堆输出的排气，所述冷凝物发生器包括具有制冷剂管线的蒸发器芯，所述制冷剂管线被构造成经由制冷剂流体的受控循环来主动地冷却所述排气；
冷凝物收集器，所述冷凝物收集器流体地连接到所述冷凝物发生器以从所述冷凝物发生器接收冷却的排气，所述冷凝物收集器包括贮器壳体，在所述贮器壳体中包含冷凝物捕集器，所述冷凝物捕集器被构造成从所述冷却的排气中分离出夹带的水蒸气，所述贮器壳体将分离出的水蒸气收集作为液态水；
液体存储容器，所述液体存储容器流体地连接到所述冷凝物收集器以从所述冷凝物收集器接收并存储所收集的液态水；
膨胀装置，所述膨胀装置流体地连接到所述冷凝物发生器并且被构造成调节从制冷剂系统接收并通过所述制冷剂管线进入所述蒸发器芯中的所述制冷剂流体的量；
排气预调节器，所述排气预调节器流体地连接到在所述蒸发器芯上游的所述冷凝物发生器，所述排气预调节器包括气体-气体热交换器，所述气体-气体热交换器被构造成被动地冷却从所述燃料电池堆输出的所述排气，之后由所述冷凝物发生器接收所述排气；以及
两相流分离器，所述两相流分离器流体地插置在所述冷凝物发生器和所述冷凝物收集器之间，并且被构造成开始从所述冷却的排气中分离出所述水蒸气。
2.根据权利要求1所述的排气后处理系统，其中，所述气体-气体热交换器包括交换器壳体，所述交换器壳体具有：第一空气管道，其被构造成将所述排气预调节器流体地连接到所述冷凝物发生器和所述燃料电池堆以使从所述燃料电池堆输出的排气穿过所述排气预调节器；以及第二空气管道，其将所述排气预调节器流体地连接到所述冷凝物收集器和排气管线以使从所述水蒸气中分离出的所述冷却的排气穿过其中，使得所述冷却的排气对排气输出进行预冷却。
3.根据权利要求2所述的排气后处理系统，其中，所述气体-气体热交换器还包括：第一组基本上平行的流动通路，其流体地连接到所述第一空气管道；以及第二组基本上平行的流动通路，其流体地连接到所述第二空气管道并且与所述第一组平行的流动通路交错。
4.根据权利要求1所述的排气后处理系统，其中，所述膨胀装置包括控制器自动膨胀阀、恒温膨胀阀、毛细管装置和/或孔口管装置。
5.根据权利要求1所述的排气后处理系统，其中，所述冷凝物发生器还包括芯壳体，所述芯壳体具有：排气入口端口和出口端口，其被构造成使从所述燃料电池堆输出的所述排气穿过其中；以及制冷剂入口端口和出口端口，其被构造成使所述制冷剂流体穿过其中。
6.根据权利要求1所述的排气后处理系统，其中，所述贮器壳体包括：贮器入口端口和出口端口，其被构造成使从所述冷凝物发生器输出的所述冷却的排气穿过其中；以及集水槽端口，其流体地连接到所述液体存储容器并且被构造成输出由所述贮器壳体收集的所述液态水。
7.根据权利要求6所述的排气后处理系统，其中，所述冷凝物收集器还包括水泵，所述水泵流体地连接到所述集水槽端口，并且被构造成将所收集的液态水从所述贮器壳体泵送到所述液体存储容器。
8.根据权利要求5所述的排气后处理系统，其中，所述贮器壳体被构造成使穿过所述排气后处理系统的噪声和振动衰减。
9.根据权利要求8所述的排气后处理系统，其中，所述贮器壳体在其中包括一组穿孔管，所述一组穿孔管协作地被设计成反射并由此阻尼由所述制冷剂系统产生的声波。
10.根据权利要求1所述的排气后处理系统，其中，所述两相流分离器包括分离器壳体，所述分离器壳体具有：分离器入口端口和出口端口；以及螺旋叶片，其在所述分离器壳体内在所述分离器入口端口和出口端口之间轴向地伸长，所述螺旋叶片被构造成将离心力赋予所述冷却的排气以由此开始从所述冷却的排气中分离出所述水蒸气。
11.根据权利要求1所述的排气后处理系统，其中，所述液体存储容器包括具有阀的不透流体的存储罐，通过所述阀，从所述液体存储容器排放所存储的液态水。
12.根据权利要求11所述的排气后处理系统，其中，所述液体存储容器还包括：过滤器，其被构造成至少部分地净化所存储的液态水；以及水泵，其被构造成从所述液体存储容器泵送所存储的液态水。
13.一种电驱动车辆，其包括：
车辆本体，其具有附接到所述车辆本体的多个行走轮；
电动牵引马达，其附接到所述车辆本体并且被构造成驱动所述行走轮中的一个或多个，由此推进所述电驱动车辆；
制冷剂系统，其被构造成从所述制冷剂系统输出制冷剂流体；
燃料电池系统，其能够操作为为所述电动牵引马达提供动力并且包括燃料电池堆，所述燃料电池堆具有阴极、阳极、以及安置在所述阴极和阳极之间的质子交换膜；以及
燃料电池排气后处理系统，其包括：
冷凝物发生器，所述冷凝物发生器流体地连接到所述燃料电池堆以接收从所述燃料电池堆输出的排气，所述冷凝物发生器包括具有制冷剂管线的蒸发器芯，所述制冷剂管线被构造成经由从所述制冷剂系统接收的所述制冷剂流体的受控循环来主动地冷却所述排气；
冷凝物收集器，所述冷凝物收集器流体地连接到所述冷凝物发生器以从所述冷凝物发生器接收冷却的排气，所述冷凝物收集器包括贮器壳体，在所述贮器壳体中包含冷凝物捕集器，所述冷凝物捕集器被构造成从所述冷却的排气中分离出夹带的水蒸气，所述贮器壳体将分离出的水蒸气收集作为液态水；
液体存储容器，所述液体存储容器流体地连接到所述冷凝物收集器以从所述冷凝物收集器接收并存储所收集的液态水；
膨胀装置，所述膨胀装置流体地插置在所述制冷剂系统和所述冷凝物发生器之间，并且被构造成调节从所述制冷剂系统接收并通过所述制冷剂管线进入所述蒸发器芯中的所述制冷剂流体的量；
排气预调节器，所述排气预调节器流体地连接到在所述蒸发器芯上游的所述冷凝物发生器，所述排气预调节器包括气体-气体热交换器，所述气体-气体热交换器被构造成被动地冷却从所述燃料电池堆输出的所述排气，之后由所述冷凝物发生器接收所述排气；以及
两相流分离器，所述两相流分离器流体地插置在所述冷凝物发生器和所述冷凝物收集器之间，并且被构造成开始从所述冷却的排气中分离出所述水蒸气。
14.一种用于控制排气后处理系统的操作的方法，所述排气后处理系统流体地连接到电化学燃料电池堆，所述方法包括：
经由冷凝物发生器接收从所述燃料电池堆输出的排气；
通过所述冷凝物发生器的具有制冷剂管线的蒸发器芯经由制冷剂流体的受控循环来主动地冷却所述排气；
经由流体地连接到所述冷凝物发生器的冷凝物收集器来接收冷却的排气；
经由包含在所述冷凝物收集器的贮器壳体中的冷凝物捕集器从所述冷却的排气中分离出夹带的水蒸气；
经由所述贮器壳体将分离出的水蒸气收集作为液态水；
经由流体地连接到所述冷凝物收集器的液体存储容器从贮器壳体接收并存储所收集的液态水；
经由流体地连接到所述冷凝物发生器的膨胀装置来调节从制冷剂系统接收并通过所述制冷剂管线进入所述蒸发器芯中的所述制冷剂流体的量；
经由排气预调节器的气体-气体热交换器来被动地冷却从所述燃料电池堆输出的所述排气，之后由所述冷凝物发生器接收所述排气，所述排气预调节器流体地连接到在所述蒸发器芯上游的所述冷凝物发生器；以及
经由流体地插置在所述冷凝物发生器和所述冷凝物收集器之间的两相流分离器开始从所述冷却的排气中分离出所述水蒸气。
15.根据权利要求14所述的方法，其中，所述膨胀装置包括控制器自动膨胀阀或恒温膨胀阀。
16.根据权利要求14所述的方法，其中，所述冷凝物发生器还包括芯壳体，所述芯壳体具有：排气入口端口和出口端口，其被构造成使从所述燃料电池堆输出的所述排气穿过其中；以及制冷剂入口端口和出口端口，其被构造成使所述制冷剂流体穿过其中。
17.根据权利要求14所述的方法，其中，所述贮器壳体包括：贮器入口端口和出口端口，其被构造成使从所述冷凝物发生器输出的所述冷却的排气穿过其中；以及集水槽端口，其流体地连接到所述液体存储容器并且被构造成输出由所述贮器壳体收集的所述液态水。
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Families Citing this family (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US11735750B2 (en) * 2022-01-11 2023-08-22 GM Global Technology Operations LLC Apparatus for dilution of hydrogen concentration in a fuel cell exhaust system
DE102022112680A1 (de) * 2022-05-20 2023-11-23 Purem GmbH Brennstoffzellen-Abgasanlage
DE102022112683A1 (de) 2022-05-20 2023-11-23 Purem GmbH Brennstoffzellen-Abgasanlage
DE102022112681A1 (de) * 2022-05-20 2023-11-23 Purem GmbH Brennstoffzellen-Abgasanlage
DE102022114021A1 (de) * 2022-06-02 2023-12-07 Man Truck & Bus Se Abgasnachbehandlungsvorrichtung für eine Brennstoffzellenanordnung

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1301408A (zh) * 1998-05-20 2001-06-27 大众汽车有限公司 燃料电池系统和利用一种燃料电池系统发电的方法
CN101521287A (zh) * 2008-02-25 2009-09-02 现代自动车株式会社 使用蒸发冷却的燃料电池系统和冷却燃料电池系统的方法
AT520553B1 (de) * 2017-12-14 2019-05-15 Avl List Gmbh Abgasnachbehandlungssystem, Reaktorsystem und Verfahren zur Abgasnachbehandlung für ein Brennstoffzellensystem

Family Cites Families (23)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3455743A (en) 1966-02-01 1969-07-15 United Aircraft Corp Fuel cell with heat and water vapor removing means
ES2101920T3 (es) 1992-11-05 1997-07-16 Siemens Ag Procedimiento y dispositivo para la evacuacion de agua y/o gases inertes de una bateria de pilas de combustible.
CN1340221A (zh) * 1999-01-12 2002-03-13 泰勒戴尼能源系统公司 用于维持燃料电池系统中的中性水平衡的方法和设备
IT1312198B1 (it) 1999-04-21 2002-04-09 De Nora Spa Cella a combustibile raffreddata mediante iniezione diretta di acqualiquida
US6602624B1 (en) 2000-02-22 2003-08-05 General Motors Corporation Control apparatus and method for efficiently heating a fuel processor in a fuel cell system
US6770391B2 (en) 2001-09-04 2004-08-03 General Motors Corporation Hydrogen sensor for fuel processors of a fuel cell
US7264895B2 (en) 2001-10-31 2007-09-04 Plug Power Inc. Fuel cell thermal management system
US7160341B2 (en) 2002-04-29 2007-01-09 General Motors Corporation System for controlling front and back end temperatures of a shift reactor
US6866955B2 (en) 2002-05-22 2005-03-15 General Motors Corporation Cooling system for a fuel cell stack
US20040058224A1 (en) 2002-09-24 2004-03-25 Eshraghi Ray R. Microfibrous fuel cells, fuel cell assemblies, and methods of making the same
US20070082245A1 (en) * 2005-10-12 2007-04-12 Volker Druenert Evaporative cooling system for fuel cell systems using cathode product water
US7759010B2 (en) 2006-01-27 2010-07-20 Gm Global Technology Operations, Inc. Pulsed coolant control for improved stack cold starting
US7879752B2 (en) 2006-08-11 2011-02-01 GM Global Technology Operations LLC Electrocatalyst
US8603654B2 (en) 2006-11-22 2013-12-10 GM Global Technology Operations LLC Supplemental coolant heating for fuel cells with metal plates
US8313871B2 (en) 2006-11-22 2012-11-20 GM Global Technology Operations LLC Fuel cell heating
US7955743B2 (en) 2008-02-06 2011-06-07 GM Global Technology Operations LLC Adaptive gain scheduled control for current limitation based on voltage performance of a fuel cell system
US20110039190A1 (en) 2009-08-11 2011-02-17 Gm Globaltechnology Operations, Inc. Continuous porous flow distributors for a fuel cell
US9660278B2 (en) 2010-02-23 2017-05-23 GM Global Technology Operations LLC Method for detecting orifice flow phase transition in a pressure-controlled anode
WO2014026287A1 (en) 2012-08-14 2014-02-20 Powerdisc Development Corporation Ltd. Fuel cell components, stacks and modular fuel cell systems
US20140335432A1 (en) 2013-05-07 2014-11-13 GM Global Technology Operations LLC Systems and methods for estimating fuel cell states
GB2528825B (en) * 2014-02-24 2021-07-21 Intelligent Energy Ltd Water recovery in a fuel cell system
US20170058420A1 (en) 2015-09-01 2017-03-02 Simon Fraser University Process of increasing energy conversion and electrochemical efficiency of a scaffold material using a deposition material
US10680266B2 (en) 2018-02-15 2020-06-09 GM Global Technology Operations LLC Method of manufacturing an integrated water vapor transfer device and fuel cell-II

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1301408A (zh) * 1998-05-20 2001-06-27 大众汽车有限公司 燃料电池系统和利用一种燃料电池系统发电的方法
CN101521287A (zh) * 2008-02-25 2009-09-02 现代自动车株式会社 使用蒸发冷却的燃料电池系统和冷却燃料电池系统的方法
AT520553B1 (de) * 2017-12-14 2019-05-15 Avl List Gmbh Abgasnachbehandlungssystem, Reaktorsystem und Verfahren zur Abgasnachbehandlung für ein Brennstoffzellensystem

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Exhaust gas condensate-formation, characterization and influence on platinum measuring electrodes in diesel vehicles;S.Binnig et al;Sensors and Actuators B;第242卷;第1251-1258页 *
相对湿度对燃料电池电压衰减影响的渐进分析;王娜 等;电源技术;第41卷(第8期);第1130-1133页 *

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