用于燃料电池系统的集成气体管理设备的制造方法
【专利说明】用于燃料电池系统的集成气体管理设备
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本申请要求以下的优先权和权益:2013年6月27日提交的美国临时专利申请N0.61/840,200;2013年9月25日提交的美国临时专利申请N0.61/882,210;及2013年10月15日提交的德国实用新型申请N0.20 2013 009 257.9;其内容通过援引纳入在此。
发明领域
[0003]本发明涉及用于燃料电池系统的气体管理设备(GMD)，诸如用于加湿并冷却燃料电池系统中的阴极增压空气和/或用于从燃料电池系统中的阴极排气中移除水的集成GMD。
[0004]发明背景
[0005]燃料电池系统通过燃料和氧化剂之间的电化学反应来生成电力。许多燃料电池系统使用气态燃料(诸如氢分子)和气态氧化剂(诸如氧分子)。空气通常被用作氧化剂的来源。氢气和氧气之间的反应生成水，其在燃料电池的废气中排出。
[0006]许多燃料电池且尤其是用于汽车推进的燃料电池基于质子交换膜(PEM)技术。这些燃料电池包含PEM膜，这些PEM膜在约50-120°C的范围中起作用并且必须被保持湿润以实现燃料电池的最优性能和耐久性。
[0007]在空气被用作气态氧化剂的情况下，在空气被馈送到燃料电池的阴极之前，空气被空气压缩器提升至燃料电池的操作压力。然而，在压缩期间，空气可被加热到约200°C或更高的温度，该温度与燃料电池的操作温度相比要高的多。因此，受压的增压空气必须在它到达燃料电池堆叠之前被增压空气冷却器冷却到期望温度。
[0008]加湿设备可被定位成嵌入在空气压缩器和燃料电池堆叠之间，以便将增压空气的含水量增加到足够的水平以防止燃料电池的膜脱水。已知通过传送来自燃料电池的废气中的水蒸汽来加湿增压空气，例如如在Vanderwees等人的已公开专利申请n0.US 2012/0181712 A1 (在本文中被称为Vanderwees V12)或Stroebel等人的TO 2013/092630 A1 中公开的，两者都通过援引整体纳入在此。在加湿设备是如Vanderwees等人所公开的膜加湿器的情况下，它将具有比受压的增压空气的温度显著更低的操作温度。因此，还期望在增压空气到达该加湿设备之前冷却增压空气。
[0009]通过前面的讨论，显而易见需要众多组件来处理燃料电池系统中的馈送气流和排出气流。尤其在车辆系统中，这些组件必须全部容适在有限的空间内。因此，为了节省空间、降低成本并简化这些系统的复杂特性，存在提供降低组件的数目并在这些组件之间提供更直接的连接的集成气体管理设备的需要。然而，要求这些系统在整体上被紧密密封。
[0010]发明概述
[0011]本发明的目的是使燃料电池加湿器与以下中的任一者或多者集成:水冷式增压空气冷却器、气冷式增压空气冷却器、阳极热交换器、水分离器、(诸)隔热板、排水阀、传感器、加热器、旁通阀和各组件之间的通路。燃料电池加湿器的集成降低了燃料电池系统中组件的数目，减小了系统封装空间并降低了系统成本。
[0012]在本发明的一些实施例中，一个具体目的是将包括薄板堆叠的燃料电池加湿器的核与热交换器和/或水分离器集成。燃料电池核与热交换器和/或水分离器的集成提供进一步的特定益处，因为它允许加湿器结构的刚性结构端板之一或两者都被去除。在该结构中，热交换器和/或水分离器的刚性允许该热交换器和/或水分离器用作向加湿器结构的板堆叠提供刚性的刚性结构端板，并且这些板在该热交换器和/或水分离器之间被压缩并密封在一起。根据一实施例，提供有一种集成气体管理设备(GMD)，该GMD包括气气加湿器核以及附连到该加湿器核的第一端的热交换器。
[0013]根据另一实施例，提供有一种GMD，该GMD包括气气加湿器核以及附连到该加湿器核的第二端的水分离器。
[0014]根据又一实施例，提供有一种GMD，该GMD包括气气加湿器核、附连到该加湿器核的第一端的热交换器以及附连到该加湿器核的第二端的水分离器。
[0015]该加湿器核定义一个或多个第一气体流道以及一个或多个第二气体流道，该加湿器核具有第一端和第二端;与第一气体流道流动连通的第一进气管道和第一出气管道；以及与第二气体流道流动连通的第二进气管道和第二出气管道;其中，这些管道从第一端延伸通过加湿器核到第二端。
[0016]热交换器可被附连到加湿器核的第一端并包括至少一个第一气体流道和至少一个冷却剂流道，并且还包括第一出气开口，通过该第一出气开口，该至少一个第一气体流道与加湿器核的第一进气管道流动连通。
[0017]水分离器可被附连到加湿器核的第二端。水分离器具有与第二进气开口和第二出气开口流动连通的内部水分离腔，并且其中该水分离器的第二进气开口与加湿器核的第二出气管道流动连通。
[0018]由此，本发明的目的是提供一种燃料电池加湿器，该燃料电池加湿器被集成在还包括热交换器和水分离器中的至少一者的系统中，其中该系统是以紧凑方式构造的。加湿器系统需要被均质地压缩以被紧密地密封，以便防止气体和湿度的任何泄漏。由此，这些压缩元件必须按以下方式组合:使得它们提供足够的刚性来允许紧密密封。在有利的实施例中，本发明的目的是提供一种燃料电池加湿器系统，该系统在没有分开的端板的情况下工作，以实现对实际加湿器核的压缩。
[0019]本发明的目的由此通过一种集成气体管理设备(GMD)来解决，该集成气体管理设备包括:
[0020](a)气气加湿器核，该气气加湿器核包括:
[0021]-所述加湿器核定义一个或多个第一气体流道和一个或多个第二气体流道，所述加湿器核具有第一端和第二端；
[0022]-与所述第一气体流道流动连通的第一进气管道和第一出气管道；
[0023]-与所述第二气体流道流动连通的第二进气管道和第二出气管道；
[0024]其中，这些管道从所述第一端延伸通过加湿器核到所述第二端；以及
[0025](b)附连到所述加湿器核的所述第一端的热交换器，所述热交换器包括至少一个第一气体流道和至少一个冷却剂流道，
[0026]所述热交换器进一步包括第一出气开口，通过所述第一出气开口，所述至少一个第一气体流道与所述加湿器核的第一进气管道流动连通。
[0027]该集成气体管理设备提供特定的机械刚性以实现对加湿器核的压缩，并仅需要有限的封装空间。由于它不需要分开的导管或软管，该集成GMD示出了降低数目的接口并由此示出更少的密封表面。总之，这导致改善的密封。然而，它集成热交换器有时是有利的，并且该方式促成对加湿器堆叠的加热，以使该加湿器堆叠在非常冷的启动条件期间操作。
[0028]本发明的目的还通过一种集成气体管理设备(GMD)来解决，该集成气体管理设备包括:
[0029](a)气气加湿器核，该气气加湿器核包括:
[0030]-所述加湿器核定义一个或多个第一气体流道和一个或多个第二气体流道，所述加湿器核具有第一端和第二端；
[0031]-与所述第一气体流道流动连通的第一进气管道和第一出气管道；
[0032]-与所述第二气体流道流动连通的第二进气管道和第二出气管道；
[0033]其中，这些管道从第一端延伸通过加湿器核中到所述第二端；以及
[0034](b)附连到所述加湿器核的第二端的水分离器，其中所述水分离器具有与第二进气开口和第二出气开口流动连通的内部水分离腔，并且其中所述水分离器的第二进气开口与所述加湿器核的所述第二出气管道流动连通。
[0035]该实施例还在没有分开的管道系统的情况下起作用，其涉及降低的要被密封的接口的数目，使得该密封被改善。同时，该集成GMD需要更短的路径，并且该方式允许更紧凑的构造。通过该解决方案，在水分离器中聚集和冻结的水可由于改善的热集成而被更容易的解冻。
[0036]本发明的目的还通过一种集成气体管理设备(GMD)来解决，该集成气体管理设备包括:
[0037](a)气气加湿器核，该气气加湿器核包括:
[0038]-所述加湿器核定义一个或多个第一气体流道和一个或多个第二气体流道，所述加湿器核具有第一端和第二端；
[0039]-与所述第一气体流道流动连通的第一进气管道和第一出气管道；
[0040]-与所述第二气体流道流动连通的第二进气管道和第二出气管道；
[0041 ]其中，这些管道从所述第一端延伸通过加湿器核到所述第二端；
[0042](b)附连到所述加湿器核的所述第一端的热交换器，所述热交换器包括至少一个第一气体流道和至少一个冷却剂流道，
[0043]所述热交换器进一步包括第一出气开口，通过所述第一出气开口，所述至少一个第一气体流道与所述加湿器核的第一进气管道流动连通;以及
[0044](c)附连到所述加湿器核的第二端的水分离器，其中所述水分离器具有与第二进气开口和第二出气开口流动连通的内部水分离腔，并且其中所述水分离器的第二进气开口与所述加湿器核的所述第二出气管道流动连通。
[0045]该实施例为加湿器核的压缩提供极好的机械刚度，因为该加湿器核被同时嵌入在热交换器和水分离器之间，这允许具有非常短的路径的尤其紧凑的构造。在给定集成GMD也不需要任何分开的管道系统的情况下，接口的数目被降低，并且由此密封被改善。冷启动时改善的热集成促成对水分离器中已聚集和冷凝的水的解冻，这尤其因为为此可使用流向整个系统的冷却剂。
[0046]在一实施例中，热交换器的第一出气开口与加湿器的第一进气管道对准，并与加湿器的第一进气管道流动连通。这提供甚至更短的气体路径并且密封也被改善了。
[0047]在一实施例中，水分离器的第二进气开口与加湿器的第二出气管道对准，并与加湿器的第二出气管道流动连通。此处再一次，气流路径被减少了，并且密封被改善。
[0048]在一实施例中，集成GMD进一步包括加湿器核和热交换器之间的隔热板。在热交换器中，发生高达200°C或甚至稍微更高的入流温度。隔热板防止加湿器的过热。此外，隔热板避免优选由铝合金组成的热交换器以及加湿器核之间的直接接触。这些元件具有不同的热膨胀系数，并因此在与隔热板的平面平行的方向上不同地延伸。隔热板可使这些不同的膨胀平衡，并且该方式改善了密封。由于该系统不需要附加的端板，完整系统的热质量被降低，并且结果整个系统可以快速得多的对温度改变作出响应。这一隔热板的典型厚度(该厚度不包括在该板的平面中的任何气体通路)的范围在0.5到20mm之间，优选在2到15mm之间。
[0049]在一实施例中，隔热板包括塑料材料。这是有利的，因为它既具有更少的重量，同样还具有更少的系统热质量，使得反应时间被降低了。如果加湿器核也由塑料制成，则由塑料制成的隔热板可通过胶贴被安装到加湿器核。这导致改善的密封。
[0050]在一实施例中，隔热板包括第一气体开口，通过该第一气体开口，在热交换器的第一出气开口和加湿器的第一进气管道之间提供流动连通。再次，短气体路径和非常紧凑的构造可被实现。该实施例也与极好的密封有关。
[0051]在一实施例中，该隔热板在加湿器核的第一端处关闭第一出气管道、第二进气管道和第二出气管道。通过该方式，该隔离板形成加湿器核和热交换器之间的选择性密封板。气体可被直接引导通过加湿器核，使得不需要附加