CN117042864A - 用于从气流中分离和收集水的装置，燃料电池系统以及用于运行燃料电池系统的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于从气流中分离和收集水的装置(1)，所述装置包括实施为上升管路的水分离器(2)和布置在所述水分离器(2)下方的水箱(3)，其中，所述水分离器(2)在其下端部上具有汇入到所述水箱(3)中的排水部(4)、侧面的气体入口(5)以及布置在该水分离器的上端部上的气体出口(6)。此外，本发明还涉及一种具有相应的装置(1)的燃料电池系统(20)以及一种用于运行燃料电池系统(20)的方法。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于从气流中分离和收集水的装置。气流尤其可以是在燃料电池系统运行中从至少一个燃料电池逸出的空气。因此，装置优选地使用在燃料电池系统中。
因此，本发明还涉及一种具有根据本发明的装置的燃料电池系统以及用于运行燃料电池系统的方法，在所述燃料电池系统中，根据本发明的装置被用于从气流中分离和收集水。
背景技术
燃料电池将燃料，例如氢气和氧气转化为电能、热量和水。空气、尤其是环境空气可以作为氧气提供者。空气经由空气供入路径被供应给燃料电池的阴极。因为能量转换过程需要一定的空气质量流和一定的压力水平，所以事先借助布置在空气供入路径中的空气压缩机压缩在阴极侧供应的空气。在进入到燃料电池中之前，空气还被加湿，以防止燃料电池的隔膜干燥。否则存在燃料电池损坏的危险。
气体至气体隔膜-加湿器可以被用于加湿，该加湿器将在燃料电池运行中聚积的水、尤其是产物水从燃料电池的出口侧朝入口侧运输。然而，这种加湿器仅在当前时间点在“湿”侧上提供水时才能够运输水。其它在阴极或阳极侧聚积的水通常通过废气系统释放到周围环境中。
发明内容
因此，本发明涉及优化从气流中分离水，以便将该水利用的任务。
为了解决该任务，提出具有权利要求1特征的装置和具有权利要求9特征的燃料电池系统。本发明的有利扩展方案能够由各从属权利要求得出。此外，还给出一种用于运行燃料电池系统的方法。
所提出的用于从气流中分离和收集水的装置包括实施为上升管路的水分离器和布置在水分离器下方的水箱，其中，水分离器在其下端部上具有汇入到水箱中的排水部、侧面的气体入口以及布置在该水分离器的上端部上的气体出口。因此，装置的水分离器被气流从下向上穿流。在气流中包含的液态水在此在重力驱动下被分离并且通过排水部被引导到水箱中。气体以相反的方向经由设置在上端部上的气体出口离开水分离器。
在水箱中收集的水可以被利用，例如用于对燃料电池系统的空气供入路径中的空气进行加湿。在这种情况下可以将所述装置集成到燃料电池系统的排气路径中，使得向其供应从燃料电池系统的至少一个燃料电池逸出的潮湿的空气或者说废气。以这种方式可以分离和收集足够大量的水，以便对供应给燃料电池的空气进行加湿。
为了优化水分离而提出，在气体入口和气体出口之间在水分离器中布置有促进水蒸气冷凝的元件，该元件例如呈网格或由多孔材料制成的体的形式。如果上升到水分离器中的气流仍然包含呈水蒸气形式的水，则该水蒸气可以在所述元件上冷凝并且也被导出到水箱中。
替代地或附加地提出，在气体入口之前连接有文丘里喷嘴，该喷文丘里嘴在横截面变窄部的区域中经由上升管路与水箱连接。以这种方式可以产生二次流动，借助该二次流动，与分离的水一起到达水箱中的气体经由上升管路被吸入并且重新供应给水分离器。因此，在水箱中收集的气体被更换或至少被稀释。如果向所述装置供应含氢气的气流，则这尤其是有利的。因为在这种情况下，借助文丘里喷嘴可以防止在水箱中收集的氢气的爆炸性聚积。
此外，水分离器和/或水箱可以具有增大内表面的造型或装入件，例如呈板、肋或管的形式。该措施也导致水分离的优化。在增大的内表面上可以冷凝更多的水蒸气。当内表面相对较冷时，这尤其适用。例如，环境空气可以被用于冷却，其通常比燃料电池系统中的废气更冷。因此，作为扩展的措施提出，水分离器和/或水箱的装入件至少区域地空心地构造并且能够加载以环境空气。以这种方式可以实现气流的促进冷凝的冷却。
此外提出，水箱能够借助优选地布置在底侧上的加热装置加热。假如在停机情况下在水箱中存在的水冻结，则可以借助加热装置快速解冻所述水。在该装置使用在燃料电池系统中时能够以这种方式改善系统的冻结启动性能。
在本发明的扩展方案中提出，在水箱中或水箱上布置用于取出水的泵。因为水不但要被分离和收集，而且要可供利用，为此可以借助泵从水箱中有针对性地取出水并且将其输送到利用地点。在燃料电池系统中，这例如可以是向至少一个燃料电池供应空气的供入路径。借助从水箱中取出的水，然后空气可以在进入到燃料电池中之前被加湿。
如果随着时间的推移，在水箱中收集的水要多于取出的水，则存在水箱溢出的危险。为了防止这种情况，可以在水箱上布置用于排出水的阀。
优选地，水箱具有用于引入气流和/或水流的至少一个另外的接头。在该装置使用在燃料电池系统中时，例如可以经由至少一个另外的入口引入经由清洗阀从系统的阳极回路排出的气体量。替代地或补充地可以经由至少一个另外的接头从一个另外的水分离器向水箱供应水。该另外的水分离器可以布置在阳极侧或阴极侧，例如布置在集成到排气路径中的涡轮机上游。以这种方式，所有分离的水都可以收集在装置的水箱中并且在必要时可供利用。
因为所提出的装置优选地使用在燃料电池系统中，所以还提出一种燃料电池系统。
该燃料电池系统包括至少一个燃料电池，其具有用于导出从燃料电池逸出的空气的排气路径以及集成到排气路径中的根据本发明的装置。因为从燃料电池中逸出潮湿的空气，可以借助根据本发明的装置分离和收集包含在空气中的水。这又能够实现将水利用，例如用于对经由空气供入路径供应给燃料电池的空气进行加湿。
优选地，用于分离和收集水的装置在涡轮机下游集成到排气路径中。涡轮机用于能量回收。空气在流过涡轮机时的卸载促进了水蒸气的冷凝，使得这些水也可以借助所述装置被保留。
如果涡轮机布置在排气路径中，则在本发明的扩展方案中提出，将水分离器布置到排气路径中、优选在涡轮机上游，所述水分离器与根据本发明的装置的水箱连接。布置在涡轮机上游的另外的水分离器在潮湿的废气达到涡轮机中之前从该潮湿的废气中吸收水。以这种方式可以避免涡轮机的损坏，例如由于液滴冲击或液滴腐蚀。然后，借助水分离器分离的水也可以被供应给水箱并且在那里被收集，使得仅需要一个水箱。
替代地或补充地，根据本发明的装置的水箱可以与布置在阳极侧的排水阀和/或清洗阀连接。通过排水阀可以将水引入到水箱中，水借助布置在阳极侧的水分离器分离，用于将水从燃料电池系统的阳极回路移除。在阳极侧排出的阳极气体可以通过清洗阀被引入到水箱中，该阳极气体除了氢气和氮气以外也包含水。如果存在在水箱中借助文丘里喷嘴产生的二次流动，则确保引入到水箱中的氢气被充分稀释并且又被引导出。以这种方式，在水箱中不会形成氢气的危险聚积。
为了解决开头所述的任务，还提出一种用于运行具有至少一个燃料电池的燃料电池系统的方法。在所述方法中，从燃料电池逸出的空气被供应给根据本发明的装置，使得分离和收集包含在空气中的水。所述方法还使用在水箱中收集的水，用于加湿空气，空气经由空气供入路径被供应给燃料电池。
借助所述方法可以提高水分离率，因为从经由排气路径排出的潮湿空气中吸收水，该水通常与燃料电池系统的的废空气或者说废气一起被排放到周围环境中。同时可以将水可供利用，使得借助所述方法提高系统的效率。
附图说明
下面根据附图更详细地阐述本发明的优选实施方式。附图示出了：
图1：根据本发明的装置的示意图，和
图2：根据本发明的燃料电池系统的示意图。
具体实施方式
在图1中所示的根据本发明的装置1包括水分离器2和水箱3。水箱3布置在水分离器2下方，使得在水分离器2中从气流G分离出的水在重力驱动下经由排水部4到达水箱3中。气流G经由接近排水部4上方的侧面的气体入口5到达水分离器2中。在水分离器2中，气流G被偏转并且供应给在水分离器2的上端部处的气体出口6。在此，气流G通过呈网格形式的元件7，包含在气流G中的水蒸气可以在该元件上冷凝。冷凝水然后从元件7经由排水部4滴到水箱3中。
在气体进入口5之前连接有文丘里喷嘴8，借助该文丘里喷嘴可以在水箱3中产生二次流动。因为文丘里喷嘴8的横截面变窄部9经由上升管路10与水箱3连接，使得气体从水箱3吸入并且经由文丘里喷嘴8供应给水分离器2。以这种方式，在水箱3中存在的气体被更换并且与气流G一起被导出。这尤其有利的是，如在图1中示例性地示出的那样，水箱3经由接头14与清洗阀26连接，使得将来自燃料电池系统20的阳极回路的含氢气的阳极气体供应给水箱3(参见图2)。因为以这种方式防止氢气能够在水箱3中收集。取而代之地，氢气被稀释和导出。水箱3可以替代地或附加地经由出口14与排水阀25连接，通过该排水阀排空布置在阳极侧的水分离器38(参见图2)。在这种情况下，该水也可以收集在水箱3中并且在必要时可供利用。当前，另外的接头15将水箱3与布置在涡轮机23上游的水分离器24连接(参见图2)，使得该水也被供应给水箱3。
为了优化水分离器，所示的水箱具有呈管的形式的装入件11，这些装入件引导穿过水箱3并且充注以环境空气。如果所述环境空气比在水箱3中存在的气体更冷(通常是这种情况)，水蒸气可以在装入件11的表面上冷凝并且向下滴落。
所示的水箱3还具有布置在底侧上的加热装置12，该加热装置应防止水在低的外部温度下冻结，或者如果水已经冻结，应能够实现快速解冻。因此，加热装置11布置在底侧的出口39的区域中，通过该出口可以从水箱3中取出水，例如借助泵13(参见图2)。
从图2可看到具有燃料电池21以及根据本发明的装置1的燃料电池系统20。装置1在此布置在排气路径22中，经由该排气路径从燃料电池21中导出逸出的潮湿的空气或者说废气。空气或者说废气首先被供应给水分离器24，以便吸收含水的部分用于保护随后的涡轮机23。在涡轮机23之后，空气或者说废气进入到装置1中，使得将所含的剩余水吸出并且收集在水箱3中。
在水箱3中收集的水在所示的系统中用于对空气进行加湿，空气经由空气供入路径27被供应给燃料电池21。为了加湿而使用阀单元29，该阀单元在空气压缩机28下游集成到空气供入路径27中。阀单元29经由水管路30与泵13连接，该泵用于从装置1的水箱3中取出水。借助阀单元29，水在引入时被精细雾化，使得水在之前压缩的和在此加热的空气中迅速蒸发。在流过集成在到空气供入路径27中的混合路段31时，水与空气充分混合，使得实现良好的湿气分布。经由混合路段31，经压缩和加湿的空气到达同样集成到空气供入路径27中的热交换器32中。该热交换器用于在空气被供应给燃料电池21的阴极33之前对空气进行调温。
为了防止在停机情况下空气进入到阴极33中，在空气供入路径27中布置有截止阀35。另外的截止阀36防止空气从排气路径22返回到燃料电池21中。此外设置旁通阀37，用于绕过燃料电池21，该旁通阀在打开位态中将空气供入路径27与排气路径22连接。
除了阴极33外，燃料电池21还具有阳极34，该阳极在系统运行时通过阳极回路(未示出)被供给以氢气。在图2中仅示出布置在阳极侧的包含排水阀25以及清洗阀26的水分离器38，因为由此能够建立根据本发明的装置1与系统的阳极侧的连接。
Claims (13)
1.一种用于从气流中分离和收集水的装置(1)，所述装置包括实施为上升管路的水分离器(2)和布置在所述水分离器(2)下方的水箱(3)，其中，所述水分离器(2)在其下端部上具有汇入到所述水箱(3)中的排水部(4)、侧面的气体入口(5)以及布置在该水分离器的上端部上的气体出口(6)。
2.根据权利要求1所述的装置(1)，
其特征在于，在所述气体入口(5)和所述气体出口(6)之间在所述水分离器(2)中布置有促进水蒸气冷凝的元件(7)，该元件例如呈网格或由多孔材料制成的体的形式。
3.根据权利要求1或2所述的装置，
其特征在于，在所述气体入口(5)之前连接有文丘里喷嘴(8)，所述文丘里喷嘴在横截面变窄部(9)的区域中经由上升管路(10)与所述水箱(3)连接。
4.根据前述权利要求中任一项所述的装置，
其特征在于，所述水分离器(2)和/或所述水箱(3)具有增大内表面的造型或装入件(11)，例如呈板、肋或管的形式。
5.根据权利要求4所述的装置，
其特征在于，所述装入件(11)至少区域地空心地构造并且能够加载以环境空气。
6.根据前述权利要求中任一项所述的装置，
其特征在于，所述水箱(3)能够借助加热装置(12)进行加热，所述加热装置优选布置在底侧上。
7.根据前述权利要求中任一项所述的装置，
其特征在于，在所述水箱(3)中或所述水箱上布置有用于取出水的泵(13)和/或用于排出水的阀。
8.根据前述权利要求中任一项所述的装置，
其特征在于，所述水箱(3)具有至少一个另外的接头(14，15)，用于引入气流和/或水流。
9.一种燃料电池系统(20)，其包括至少一个燃料电池(21)，所述至少一个燃料电池具有排气路径(22)，用于导出从所述燃料电池(21)中逸出的空气，其中，在所述排气路径(22)中集成有根据前述权利要求中任一项所述的装置(1)。
10.根据权利要求9所述的燃料电池系统(20)，
其特征在于，所述装置(1)在涡轮机(23)下游集成到所述排气路径(22)中。
11.根据权利要求9或10所述的燃料电池系统(20)，
其特征在于，在所述排气路径(22)中，优选在所述涡轮机(23)上游，布置有所述水分离器(24)，所述水分离器与所述装置(1)的水箱(3)连接。
12.根据权利要求9至11中任一项所述的燃料电池系统(20)，其特征在于，所述装置(1)的水箱(3)与布置在阳极侧的排水阀(25)和/或清洗阀(26)连接。
13.一种用于运行燃料电池系统(20)的方法，所述燃料电池系统具有至少一个燃料电池(21)，在所述燃料电池系统中，从所述燃料电池(21)逸出的空气被供应给根据权利要求1至8中任一项所述的装置(1)，使得在空气中包含的水被分离和收集，并且在所述燃料电池系统中，在所述水箱(3)中收集的水被用于加湿空气，该空气经由空气供入路径(27)被供应给所述燃料电池(21)。
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