用于燃料电池的加湿系统和加湿方法与流程

本发明涉及用于燃料电池的加湿系统和加湿方法。

背景技术：

根据使用燃料电池的应用，对燃料电池系统的阴极流动流进行加湿可能需要昂贵的、复杂的部件，可能消耗不期望的空间量，并且可能倾向于效率低下或断断续续的操作。这一点在可用空间有限并且燃料电池可能暴露于极端的环境温度的车辆应用中尤其明显。例如，在这种系统中，含有液态水的线路在冻结状况下容易受到堵塞问题的影响。

技术实现要素：

本发明的至少一些实施例可包括用于燃料电池的加湿系统。所述加湿系统可包括冷凝器，所述冷凝器被构造为接收从燃料电池阴极输出的流体并且冷却所述流体以从中提取水。所述加湿系统还可包括热交换器，所述热交换器可操作为在热源和流动通过所述热交换器的气流之间传递热，并且使气流与所提取的水的至少一部分接触以在气流进入阴极之前对气流进行加湿。

本发明的至少一些实施例可包括用于燃料电池的加湿系统，所述加湿系统具有冷凝器，所述冷凝器被构造为接收从燃料电池阴极输出的流体并且可操作为从所述流体中提取水。热交换器可被连接到冷凝器以接收所提取的水的至少一部分。所述热交换器可被构造为在气流进入阴极之前将热传递至气流，使得所提取的水的至少一部分被蒸发到气流中。

本发明的至少一些实施例可包括用于加湿用于燃料电池的气流的方法。所述方法可包括以下步骤：将气流引入至热交换器中并将热传递至气流。可将来自燃料电池的阴极的流体输送至冷凝器，并且可以从所述流体中提取水。可将来自冷凝器的提取的水的至少一部分输送至热交换器，并可对加热的气流进行加湿。随后可将加湿的气流引入到阴极中。

根据本发明，提供一种用于燃料电池的加湿系统，包括：冷凝器，所述 冷凝器被构造为接收从燃料电池的阴极输出的流体并且可操作为从中提取水；以及热交换器，所述热交换器连接到所述冷凝器以接收所提取的水的至少一部分，并且被构造为在气流进入阴极之前将热传递至气流，使得所提取的水的至少一部分被蒸发到气流中。

根据本发明的一个实施例，所述加湿系统还包括：壳体，所述壳体至少部分地封闭所述冷凝器和所述热交换器；以及泵，所述泵连接到所述冷凝器和所述热交换器，并且可操作为将来自冷凝器的提取的水泵送至所述热交换器，所述泵被设置在壳体的封闭所述冷凝器的部分内。

根据本发明的一个实施例，在所述壳体中所述热交换器被流体地连接到所述冷凝器，使得在所述热交换器中的提取的水的未蒸发的部分流回到所述冷凝器中。

根据本发明的一个实施例，所述热交换器被构造为从流动通过第一冷却回路的第一冷却剂接收热以将热传递至气流，所述第一冷却回路包括所述热交换器和燃料电池堆。

根据本发明的一个实施例，所述冷凝器的一部分被构造为收集从所述流体中提取的水，并且第一冷却回路途经所述冷凝器的一部分以将热传递至所收集的水。

根据本发明的一个实施例，所述加湿系统还包括水线路，所述水线路连接所述冷凝器和所述热交换器，以用于将来自所述冷凝器的提取的水输送至所述热交换器，所述水线路的至少一部分被设置为靠近第一冷却回路以接收来自第一冷却剂的热。

根据本发明的一个实施例，所述冷凝器被构造为将热传递至流动通过第二冷却回路的第二冷却剂，所述第二冷却回路包括所述冷凝器和车辆电子器件。

根据本发明，提供一种用于加湿用于燃料电池的气流的方法，包括：将气流引入至热交换器中并将热传递至气流；将来自燃料电池的阴极的流体输送至冷凝器并且从中提取水；将来自冷凝器的提取的水的至少一部分输送至热交换器，并对加热的气流进行加湿；以及将加湿的气流引入到阴极中。

根据本发明的一个实施例，所述方法还包括将来自冷凝器的提取的水的至少一部分转移至热交换器除外的其他源。

根据本发明的一个实施例，所述方法还包括将来自热交换器的提取的水 的未蒸发的部分输送至冷凝器。

附图说明

图1示出了根据本发明的至少一些实施例的用于燃料电池的加湿系统的示意图；

图2示出了根据本发明的至少一些实施例的用于燃料电池的加湿系统的示意图，所述加湿系统包括集成到冷凝器壳体中的泵；

图3示出了根据本发明的至少一些实施例的用于燃料电池的加湿系统的示意图，所述加湿系统包括用于控制来自冷凝器的水的流动的阀；以及

图4示出了根据本发明的至少一些实施例的用于燃料电池的加湿系统的示意图，所述加湿系统包括设置在热交换器上方的冷凝器。

具体实施方式

根据需要，在此描述本发明的详细实施例。然而，应理解公开的实施例仅为本发明的示例，本发明可以采用各种和替代的形式。附图无需按比例绘制；可夸大或最小化一些特征以显示特定部件的细节。因此，在此所公开的具体结构和功能细节不应解释为限制，而仅为用于教导本领域技术人员以多种形式利用本发明的代表性基础。

图1示出了根据本发明的实施例的加湿系统10。加湿系统10被配置为与燃料电池12一起工作，图1中示意性地示出了所述燃料电池12的组件。应理解燃料电池系统可包括许多组件，并且在图1中被称为燃料电池12的组件可以是更大的燃料电池系统的一部分，更具体地可以被称为“燃料电池堆”。燃料电池12包括阳极14、阴极16和双极板18，所述双极板18具有贯穿其中的冷却剂。更具体地，阳极14、阴极16和双极板18可以分别被称为“燃料电池堆的阳极部分”、“燃料电池堆的阴极部分”和“双极板的冷却剂部分”。这些更长、更具体的术语是本领域技术人员所已知和理解的，但出于简洁在此提出较短的名称。如下面更详细描述的，双极板18接收流动通过图1中标记为“回路1”的第一冷却回路的第一冷却剂。

加湿系统10包括冷凝器20，所述冷凝器20被构造为接收从阴极16输出的流体，这由流体线路22示出。来自阴极16的输出可包括诸如水蒸气、液态水以及来自环境空气的诸如氮气、氧气和微量气体的其它气体的组成物 质。冷凝器20被构造为接收该流体流，并且至少部分地通过冷却该流体流而从中提取水。冷凝器20还可包括在流动路径中的滤网或网栅装置(screen or mesh device)、利用重的液体的动量将其与气体流分离的U型弯流动路径或离心流动路径或者物理地阻挡冷凝器气流的一部分的一个或更多个挡板以促进液态水的收集。当离开冷凝器20时，未提取的物质通过排出线路23排掉。

加湿系统10还包括具有热交换器24的加湿器部分，图1中示出的实施例中的热交换器24为在液体和气体之间进行热交换的接触式热交换器。更具体地，热交换器24接收气流26，所述气流26可以是通过压缩机28作用于其的压缩的气流，并且热交换器24在气流26和热源之间传递热，在图1示出的实施例中所述热源为第一冷却剂。第一冷却回路流动通过热交换器24，在热交换器24中第一冷却回路将热传递至气流26。流动通过回路1的第一冷却剂可从多个热源中的任意一个汲取热。

在图1示出的实施例中，可以设想使用燃料电池12产生用于电动车辆或混合动力电动车辆的电力。在这种情况下，除了燃料电池12本身之外，回路1可包括散热器、空气压缩机、中间冷却器、其它车辆部件或者它们的某种组合。一般而言，回路1是通过冷却热的部件(比如燃料电池12)来汲取热的高温冷却回路，并且回路1将热传递至较冷的物质(比如气流26)。在图1示出的实施例中，虽然在双极板18的入口30处会经常出现约为68℃的温度，但第一冷却回路的温度范围可以是-30℃至95℃。值得注意的是，在一些实施例以及在一些工况下，可通过压缩机(比如压缩机28)使气流(比如气流26)加热到比流动通过热交换器的冷却剂处于更高温度的程度。在这种情况下，热将可能以与上面描述的方向相反的方向在热交换器的冷却剂和气流之间进行传递，即，气流会将热传递至热交换器中的第一冷却剂。

如上所述，冷凝器20被构造为从离开阴极16的流体22中提取水。冷凝器20的一部分31可包括气液分离器(knockout and sump)以促进收集水。泵32通过将冷凝器20连接至热交换器24的水线路34泵送所提取的水。当来自阴极16的流体22流动通过冷凝器20时，其通过与流过第二冷却回路的第二冷却剂接触而被冷却，所述第二冷却回路在图1中标记为“回路2”。第二冷却回路是低温冷却回路，其可以用于(例如)冷却诸如电力电子器件(未示出)的一些车辆系统。回路2还可冷却电力牵引驱动马达系统或其他车辆部件，使得其可于-30℃至70℃的温度范围内操作。冷凝器20还可包括 诸如外部翅片的结构特征，以帮助散热。

热交换器24通过一个或更多个水喷嘴36接收来自冷凝器20的提取的水。流动通过热交换器24的气流26被从流动通过第一冷却回路的第一冷却剂传递的热加热。由于气流26被加热，因此它能够吸收更大量的从冷凝器20接收的提取的水。这利于加湿气流26从而为用于阴极16的进气流提供期望的水蒸气量。加热如图1示出的实施例中所示的气流提供优于在将气流送到阴极之前冷却该气流的系统的优势。这是因为加热气流增加其携带水蒸气的能力，并且在气流中的额外的水蒸气可以对阴极有利。

在图1示出的实施例中，冷凝器20和热交换器24至少部分地封闭在壳体38内。将冷凝器20的至少一部分和热交换器24一起定位在共同的壳体内可以具有多个优点。首先，可以具有与紧凑封装关联的空间节省。此外，冷凝器20和热交换器24之间的近距离意味着它们之间的连接(比如水线路34)可以相对较短。在燃料电池和加湿系统可能暴露于相对极端的温度中的机动车辆的应用中，具有较短的水线路可以引起较少的冻结问题。隔热件40被设置于热交换器24和冷凝器20之间。这是因为这两个部件以不同温度操作，并且事实上，冷凝器20在较冷时操作更高效，而热交换器24在较热时操作更高效。

由于通常期望通过冷凝器20来促进散热，所以冷凝器20的主体不位于壳体38内；更确切地，仅气液分离器部分31位于壳体38内。这种构造有助于在低温条件下防止在气液分离器31的下部所收集的水冻结，同时仍允许冷凝器20的主体散热至其周围环境。下面将参照图2更具体地描述其它防止所收集的水冻结或在所收集的水冻结后促进熔化的措施。

如图1示出的，热交换器24通过另一水线路42流体地连接到冷凝器20。可能是这样的情况，从冷凝器20泵送至热交换器24中的提取的水并非会全部在气流26中蒸发。在这种情况下，提取的水中未蒸发的部分可能被收集在气液分离器44中，所述气液分离器44与在冷凝器20中使用的气液分离器31类似。在一些实施例中，收集于气液分离器44中的水可以被泵送回到冷凝器以通过水线路34再次引入到热交换器24中。在图1中所示的实施例中，热交换器24被设置在冷凝器20上方，以使当系统关闭时，来自热交换器24的提取的水的未蒸发的部分依靠重力而非依靠泵自动地流到冷凝器20中。

当该系统运行时，热交换器24和冷凝器20之间存在压力差，即，热交 换器24中的压力比冷凝器20中的压力高。这提供了足够的力以使来自热交换器24的提取的水的未蒸发的部分流动至冷凝器，而不依赖于重力。如结合图4更详细地描述的，本发明的实施例可包括设置在热交换器上方的冷凝器。利用这样的构造，压力梯度仍然可以提供足够的力，以将水从热交换器向上输送至冷凝器。如图1所示，水线路42完全地位于壳体38内，如果加湿系统10暴露于低温条件，这有助于防止该线路中的水冻结，或者辅助融化。

图2示出了根据本发明的另一实施例的加湿系统46。与加湿系统10类似，加湿系统46被构造为与燃料电池48一起工作，所述燃料电池48包括阳极50、阴极52和双极板54，所述双极板54具有贯穿其中的有冷却剂。双极板54接收流动通过标记为“回路1”的第一冷却回路的第一冷却剂。如图1示出的实施例一样，可以设想加湿系统46和燃料电池48将使用于车辆应用中。因而，在图2中所示的回路1也是可包括燃料电池48和其他产生高热量的车辆系统的高温回路。

加湿系统46包括冷凝器56，所述冷凝器56被构造为接收从阴极52输出的流体58，以至少部分地通过冷却流体流58而从中提取水。当离开冷凝器56时，未提取的物质通过排出线路60排掉。加湿系统46还包括热交换器62，所述热交换器62将热从流动通过回路1的第一冷却剂传递至气流64。与图1所示的实施例类似，气流64可在其进入热交换器62之前通过压缩机66压缩。

尽管与图1所示的实施例类似，但图2所示的实施例包括若干差异。例如，回路1包括流过冷凝器56内的气液分离器72的最底部部分的额外的冷却剂线路68和冷却剂线路70。在一些实施例中，冷却剂线路68和冷却剂线路70可被集成为单个线路，其中，一条流动穿过线路的中心，而另一条流动沿相反的方向经过包围内部流动的环形空间。类似于图1中所示的气液分离器31，气液分离器72是冷凝器56的一部分，在所述气液分离器72中收集提取的水，以通过泵74被泵送经过水线路76和一个喷嘴或多个喷嘴78并进入热交换器62以接触气流64。在图2所示的实施例中，来自流动通过回路1的第一冷却剂的热不仅利于将热传递至流动通过热交换器62的气流64，而且还加热了气液分离器72的下部。这有助于防止所提取的水在低温条件期间冻结。针对水冻结的程度(比如，当车辆未运转时)，一旦车辆运行，冷却剂线路68和冷却剂线路70将迅速变得足够热以使水融化回到其液体状态。

如图2所示，将所提取的水从冷凝器56输送至热交换器62的水线路76被设置为靠近第一冷却回路的一部分，并且具体地，被定位成邻近冷却剂线路68和冷却剂线路70二者。根据该构造，水线路76可与冷却剂线路68和冷却剂线路70中的一个或二者接触，或可定位成足够靠近以通过对流传热或辐射传热从第一冷却剂接收热。在一些实施例中，可使用其它的方法来设置加热的水线路(比如水线路76)，例如，也可使用电热源或其它热源。除了靠近冷却剂线路68和冷却剂线路70，水线路76还可通过被完全封闭于壳体80内而防止冻结。壳体80还封闭热交换器62和冷凝器56的一部分(具体为气液分离器72)。在这个实施例中，泵74也被封闭于壳体80内，这也有助于防止泵74中的收集的水冻结。类似于图1示出的实施例，热交换器62包括气液分离器79，在所述气液分离器79中可以收集所提取的水的未蒸发的部分并通过水线路81将其输送回到冷凝器56。

图3示出了根据本发明的另一实施例的加湿系统82。与加湿系统10和加湿系统46类似，加湿系统82被构造为与燃料电池84一起工作，所述燃料电池84包括阳极86、阴极88和双极板90，所述双极板90具有贯穿其中的冷却剂。双极板90接收流动通过标记为“回路1”的第一冷却回路的第一冷却剂。如在本文中描述和示出的其他实施例，可以设想加湿系统82和燃料电池84将使用于车辆应用中。因此，图3所示的回路1也是可包括燃料电池84和其他产生高热量的车辆系统的高温回路。

加湿系统82包括冷凝器92，所述冷凝器92被构造为接收从阴极88输出的流体94，以至少部分地通过冷却流体流94而从中提取水。当离开冷凝器92时，未提取的物质通过排出线路96排掉。加湿系统82还包括热交换器98，所述热交换器98将热从流动通过回路1的第一冷却剂传递至气流100。与其它实施例类似，气流100可在其进入热交换器98之前通过压缩机102压缩。壳体104封闭热交换器98和冷凝器92的至少一部分(具体为气液分离器106)。

收集在气液分离器106的下部中的水通过泵108被泵送通过一个喷嘴或更多个喷嘴110并进入热交换器98。如同其它实施例，泵送至热交换器98中的提取的水的至少一部分在气流100进入阴极88之前被蒸发到气流100中。在图3示出的实施例中，泵108的出口112不是通过单一的水线路连接到喷嘴110，而是通过两条水线路114、116进行连接，所述水线路114和水线路 116通过三通阀118连接。阀118可操作为使来自冷凝器92的提取的水的至少一部分转移至热交换器98，并且可进一步操作为使冷凝器92的提取的水的至少一部分转移至热交换器98除外的其他源(例如，转移至排出线路96)。阀118通过另一水线路120连接到排出线路96。

阀118提供了可防止在冷凝器92中提取的水冻结的另一种机构。具体地，如果收集在气液分离器106中的水不能完全被热交换器98利用，则可致动阀118以使冷凝器92中的任何剩余的水被泵送到排出线路96中。那么，如果冷凝器92(特别是气液分离器106)暴露于冻结温度，就不会有积水剩余而导致堵塞或另外干扰加湿系统82的操作。在一些实施例中，在从热交换器98延伸到冷凝器92的水线路122中可包括捕集器。捕集器能够将水“驻存”在热交换器的气液分离器124中，这有助于保持水紧密靠近当车辆重新启动时最快地产生热量的回路1。

阀118可能是(例如)诸如电磁阀的机电装置，或者它可以是全电子的。在任一情况下，它可以由一个或更多个车辆控制系统控制，所述车辆控制系统可以是专用的控制系统的形式(比如燃料电池控制单元(FCU))或更大的车辆范围控制器的形式(比如车辆系统控制器(VSC))。可包括一个或更多个处理器、存储器存储单元等的相同的控制系统也可用于操作各种其它组件(比如泵108、压缩机102)，甚至用于燃料电池84本身的操作。

本发明的实施例还包括用于对用于燃料电池的气流进行加湿的方法。使用图1至图3中示出的系统，可包括下列步骤中的一些或全部作为该方法的一部分。例如，可将气流(比如气流26)引入至热交换器中(比如热交换器24)，参见图1。可以通过使用流动通过冷却回路的冷却剂将热从燃料电池(比如燃料电池12)传递到气流中。可以将流体流(比如流体流22)从燃料电池12的阴极16输送到冷凝器20，在所述冷凝器20中从所述流体流中提取水。随后可将所提取的水的至少一部分从冷凝器20输送到热交换器24，以按照这样的方式加湿气流26。例如，可以通过喷嘴36将由泵32通过水线路34泵送的提取的水喷入到热交换器24中。

热可以通过一些热传递机构传递出冷凝器20，包括通过冷却翅片或冷凝器20自身的其他结构元件。与该散热形式结合，或可替代地，热可以通过第二冷却回路(回路2)从冷凝器传出。在这样的构造中，热可以通过流动通过回路2的第二冷却剂从冷凝器20传递到可用于冷却车辆电子器件的另一散 热器。这有利于从来自阴极16的流体22提取水。

利用如图2示出的构造，从车辆散热器传递到流动通过第一冷却回路(回路1)的第一冷却剂的热不仅可被传递到流动通过热交换器62的气流64，还可在其离开冷凝器56之前被传递到所提取的水的一部分。具体地，冷却剂线路68和冷却剂线路70流动通过冷凝器56的气液分离器72的下部，这利于从第一冷却剂到驻留在气液分离器72的下部的水的热传递的步骤。利用如图3示出的构造，该方法可包括将来自冷凝器92的提取的水的至少一部分转移至热交换器98除外的其他源(例如，排出线路96)。如上所解释的，这可以通过使用诸如三通阀118的阀来完成，并且可以有助于防止在气液分离器106的下部的积水冻结。

图4示出了根据本发明的另一实施例的加湿系统126。与加湿系统10、加湿系统46和加湿系统82类似，加湿系统126被构造为与燃料电池128一起工作，所述燃料电池128包括阳极130、阴极132和双极板134，所述双极板134具有贯穿其中的冷却剂。双极板134接收流动通过标记为“回路1”的第一冷却回路的第一冷却剂。如在本文中描述和示出的其他实施例，可以设想加湿系统126和燃料电池128将使用于车辆应用中。因此，图4所示的回路1也是可包括燃料电池128和其他产生高热量的车辆系统的高温回路。

加湿系统126包括冷凝器136，所述冷凝器136被构造为接收从阴极132输出的流体138，以至少部分地通过冷却流体流138而从中提取水。当离开冷凝器136时，未提取的物质通过排出线路140排出。加湿系统126还包括具有热交换器142的加湿器部分，所述热交换器142在气流144和流动通过回路1的第一冷却剂之间传递热。与其它实施例类似，气流144可在其进入热交换器142之前通过压缩机146压缩。壳体148封闭热交换器142和冷凝器136的至少一部分(包括气液分离器150)。

收集在气液分离器150的下部中的水通过泵152被泵送通过一个喷嘴或更多个喷嘴154并进入热交换器142。如同其它实施例，泵送到热交换器142中的提取的水的至少一部分在其进入阴极132之前被蒸发到气流144中。所提取的水中未在热交换器142中蒸发的一部分可以被收集到热交换器的气液分离器156中。如上所述，在系统的操作过程期间，热交换器和冷凝器(比如热交换器142和冷凝器136)之间可能存在压力差。具体地，热交换器142内的空气压力将提供足够的力以使所提取的水的未蒸发的部分通过水线路 158从气液分离器156向上流动至冷凝器136。

如在图4中所示，回路1的一部分可以途经冷凝器136中的气液分离器150以防止气液分离器150内的任何积水冻结，或当系统不运行时如果它暴露于冻结条件，用于使其快速变热。第一冷却剂被输送通过气液分离器156以进一步帮助防止任何收集的水冻结，或者一旦系统重新启动则可使其快速融化。系统126的构造(即，热交换器142位于冷凝器136的下方)可提供优于其他构造的优势，因为水将倾向于收集在热交换器142中，而不是冷凝器136。由于热交换器142比冷凝器136运行于更高的温度，因此这有助于防止所收集的水冻结，或者在启动时更快速地融化。

虽然以上描述了示例性实施例，但并不意味着这些实施例描述了本发明的所有可能的形式。更确切地，在说明书中使用的词语是描述性词语而非限制性词语，并且应该理解，在不脱离本发明的精神和范围的情况下可以做出各种变化。此外，可以组合各个实现的实施例的特征以形成本发明的进一步的实施例。