用于调节燃料电池系统组成部件温度的调温壳体的制作方法

本发明涉及用于调节燃料电池系统组成部件温度的调温壳体、具有这种调温壳体的燃料电池系统以及用于根据本发明的调温壳体的调温方法。

背景技术：

1、已知的是燃料电池系统具有若干装置，用以调节各组成部件的温度。尤其已知的是这种燃料电池系统中的各组成部件达到很高温度，故它们必须被冷却。也知道了在燃料电池系统运行中产生水，这些水出现在阳极废气中并且应该被去除。水必须从阳极废气中被分离，才能被去除。

2、已知的解决方案的缺点是，尤其在特定的运行状况下，如冷启动或尤其是所谓的“冰冻启动”(即在低于0℃的温度下启动燃料电池系统时)，可能因不均匀的热分布和/或加热而导致阳极废气被意外冷却和/或分离装置内部结冰。这有以下缺点，即，可能出现干燥现象和/或难以启动，甚至根本无法启动。为了应对此问题，已知的解决方案针对的是分离装置配设有电热件，以便在冷启动状况或冰冻启动状况下借助电力实现加热且因此避免结冰。

3、但这些已知解决方案存在如下缺点：一方面，在分离装置不具备调温可能性的情况下，运行范围且尤其是可能的启动条件受限。另一方面，在采用电热器时会增大复杂性、成本和结构空间需求。

技术实现思路

1、故本发明的任务是至少部分消除前述缺点。本发明的任务尤其是以成本有利且简单的方式实现冷启动和阳极废气的附加处理。

2、上述任务通过一种具有权利要求1的特征的调温壳体、一种具有权利要求11的特征的燃料电池系统以及一种具有权利要求12的特征的方法来完成。本发明的其它特征和细节来自从属权利要求、说明书和图。在此，关于本发明的调温壳体所描述的特征和细节显然也与本发明的燃料电池系统以及本发明的方法相关地适用，反之均亦然，故关于各发明方面的公开内容总是相互参照或可相互参照。

3、本发明提出了采用一种用于调节燃料电池系统的组成部件温度的调温壳体。这种调温壳体具有围成壳体内腔的壳体壁。在壳体内腔中设置有分离装置，用于从阳极废气中分离出水，所述阳极废气作为循环气体用于循环。本发明的调温壳体的特点是，用于冷却燃料电池系统的系统组成部件的冷却循环的一部分布置在壳体内腔中，用以调节壳体内腔的温度。在此，该分离装置配备有阳极废气入口，用于接收燃料电池系统的燃料电池堆的阳极部的阳极废气。此外，该分离装置具有循环气体出口，用于将作为循环气体的阳极废气排出到阳极供应部以便供应给燃料电池堆的阳极部。

4、本发明的核心思想基础是分离装置具备主动调温可能性。但主动调温可能性并非通过独立调温装置来达成，例如在现有技术是通过电热器来保证的。相反，在本发明的设计中，该调温壳体将在燃料电池系统运行期间内其它组成部件(在此是系统组成部件)产生的废热用于调节该分离装置的温度。为了使所吸收的系统组成部件废热得到二次利用，在本发明的设计中，该调温壳体设有冷却循环的一部分。

5、本发明的燃料电池系统尤其被设计成pem燃料电池系统。在pem燃料电池系统情况下需要通过相应设计的冷却循环排走产生的废热。pem燃料电池的隔膜从温度高于95℃起开始受损，因为硫酸链从所述温度起分解。故燃料电池系统具有冷却循环以防燃料电池和所有其它系统组成部件过热。冷却循环于是一般具有比例如用于电池或功率电子装置的冷却循环更高的温度。冷却循环内的冷却水最高温度为约90℃至约95℃。

6、“系统组成部件”在本发明范围内有利地是指燃料电池系统的所有组成部件，如辅助设备(balance-of-plant)组成部件和/或高温回路组成部件。

7、本发明的调温壳体现在利用这些系统组成部件产生的废热、尤其是燃料电池堆的废热，以及废热至少部分已经位于冷却循环内的冷却剂中的事实。通过构造性地将冷却循环的一部分设置在调温壳体的壳体内腔中，现在可以至少部分将废热用于调节壳体内腔的温度。在此，在第一步骤中，所述冷却循环部分向壳体内腔的传热方式无关紧要。在此，它可以是简单的传热面，但也可以是更复杂的可能方式，其采用各不同的传热现象，尤其是热传导和/或热对流，用于从变热的冷却剂传热至壳体内腔。

8、本发明的设计因此使得在启动燃料电池系统时很快速地在系统组成部件上产生的废热借助已有的必要冷却功能被吸收并且被传导至调温壳体。废热由系统本身提供，并且可以很快速地被用于调温、在此是加热。因此能够显著降低在调温壳体内部及所有布置在调温壳体内的组成部件的结冰风险。通过调温，尤其是加热调温壳体及其壳体内腔，提供一种可以基本上完全放弃外界供热的调温方式。现有技术中单独电热器所需要的更高复杂性、附加结构空间和由此也出现的成本可以通过这种方式被有效避免。换言之，可以在采用本发明的调温壳体下在冷启动状况下且尤其在冰冻启动状况下显著降低结冰概率。这无需提高复杂性且尤其无需增大结构空间和成本就可做到。在此要指出的是，通过这种方式不仅可以改善冷启动过程的功能性，也可以进一步降低框架条件，诸如燃料电池系统启动所需的最低温度。冰冻启动的运行窗口因此扩大，由此燃料电池系统的应用灵活性可以通过本发明的调温壳体被进一步提高。

9、本发明的调温壳体尤其也是指整体式构件，其包括所有组成部件及其功能，如尤其是换热器、分离器、喷射器、容器。在此实施方式中，壳体内腔于是与全部其它构件和组成部件成一体地构成。这样的调温壳体优选至少部分通过3d打印或通过其它加工方法来制造。

10、当在本发明的调温壳体中在壳体内腔内设有冷凝液罐时可以带来优点，冷凝液罐与分离装置流体连通相连以接收从阳极废气分离出的液态水。这是指在从阳极废气气流分离出的液态水原则上虽然也可被输送至其它组成部件或也可直接从该系统排出，但也可以想到用这样的储罐装置收集。在此实施方式中，冷凝液罐也布置在调温壳体的壳体内腔中，故通过所述的本发明调温方式降低结冰风险的做法也可被用到冷凝液罐上。因此在冷启动且尤其在冰冻启动时也给冷凝液罐本身提供调温可能性，从而在此也很有可能避免不希望有的结冰。

11、还可能有利的是，在本发明调温壳体中设有用于排出自阳极废气中分离出的液态水的排出阀。这种排出阀可以与根据前一段落的冷凝液罐结合使用。但原则上也可以想到设有这种排出阀，但不带冷凝液罐。排出阀可以布置在壳体内腔内，但在调温壳体的特定变型实施方式中也能够布置在壳体内腔外。排出阀布置在壳体内腔中，带来相同的调温优点，故在此也可针对这种呈排出阀形式的组成部件减少在冷启动状况或冰冻启动状况下的不希望有的结冰。

12、另外可能有利的是，在本发明的调温壳体中在壳体内腔中设置阳极供应部的一局部部段。因而在此实施方式中，阳极供应部的这一局部部段也被引导经过调温壳体的壳体内腔。故所述冷却循环部分的调温功能性也可用于该阳极供应部部分。在此被调温的阳极供应部可以是只包含外部供应燃料的局部部段。但是，该阳极供应部的在壳体内腔中的部分也可能已经布置在循环气体混合装置之后，使得用于将燃料和循环气体混合成作为阳极供应气体的共同混合气体的混合腔也可就位在壳体内腔中。本发明的调温可能性在此扩展至常规运行，故在本发明的调温壳体中作为调温功能性的一部分也确保外部提供的燃料被预热。在最佳情况下，因此可以放弃用于单独的燃料预热换热器。在这种情况下，关于结构空间缩小、复杂性降低以及成本最小化的优点还被进一步增强。

13、当在本发明调温壳体中该壳体内腔没有换热器时带来进一步优点。这尤其适用于将阳极供应部的一部分集成到壳体内腔中时，如前一段落所述。换热器在此被定义为如下装置，在此，流体在流动中以主动且可控方式与其它流体进行热交换。在此，它例如可以是板式换热器或相似的换热器类型，对此后文还将简要说明。本发明的调温功能性采用非特定的方式，即通过使调温壳体的整个壳体内腔被加热来实现，因此在此实施方式中可以放弃这种特定的换热器。

14、当在本发明的调温壳体中在壳体内腔中设有用于加热循环气体和/或阳极供应气体的换热器时带来进一步优点按照燃料电池系统的系统组成部件实际产生的废热量，可以预先估计调温功能性是否足以确保循环气体、燃料或作为阳极供应气体的混合气体按预期预热。如果调温功能的设计规模不足，则可以借助附加换热器为各个气流提供更强的特定加热。由于这些换热器现在也被集成到壳体内腔中，故它们不必再提供完全加热，而是可以说是在借助调温壳体的基本调温的基础上进行加热。

15、也有利的是，在本发明的调温壳体中，阳极供应部的喷射装置至少部分布置在壳体内腔内。这种喷射装置优选完全或基本上完全布置在壳体内腔中。喷射装置可以例如具有混合腔，其能确保燃料和循环气体的混合。混合气体随后通过喷射装置的喷嘴被输送，从而压差会对循环气体产生抽吸作用。这使得将混合气体作为阳极供应气体输送至燃料电池堆的阳极部时，最好可以设计成没有转动的构件，如风机。壳体内腔中喷射装置的集成也带来了上述优点，即，在冷启动状况或冰冻启动状况下很快速地预先调温。已知燃料电池系统的喷射装置中也存在的结冰风险可以通过这种方式以大概率得以避免。

16、也有利的是，在本发明的调温壳体中，该壳体壁具有流体管路，流体管路至少部分形成在该壳体内腔中的冷却循环部分。虽然原则上以任何形式传热至壳体内腔的内部体积都足以按照本发明方式提供调温功能性，但这种冷却管路可实现明显更精确的调温功能。冷却管路在此例如可呈网状被集成到壳体壁中并且尤其在壳体壁的不同区域中提供不同强度的传热功能。故例如可以想到在分离装置区域中设置大量冷却管路，以便能够将冷却循环内的冷却剂所携带的废热实际上过量地提供给分离装置。通过将流体管路集成到壳体壁中，还进一步减少空间需求并且可通过这种方式进一步增强结构空间改善的优点。

17、也有利的是，在本发明的调温壳体中，该壳体壁具有至少一个隔热部，充当壳体内腔相对于调温壳体周围环境的隔热。这种隔热例如可以设计成隔热层。它例如用于作为外壁层将该壳体壁对外隔热，从而不仅可以避免在外界低温条件下的热损失，也可以避免在高温环境条件下的热输入。这使得调温过程的控制还被进一步简化，因为对于环境温度的不依赖性增强。

18、另外可能有利的是，在本发明的调温壳体中，该冷却循环部分具有尤其呈至少一个控制阀形式的控制机构，用于控制流过该壳体内腔中的冷却循环部分的流体以便控制调温功率。这是指在冷却循环内的冷却剂的体积流和温度决定着调温功率。温度越高，为了降低结冰概率而可选择的体积流越小。现在可采用控制阀来提供控制可能性，其以定性方式完全截断或完全开通流过所述冷却循环部分的流体流。原则上也可以想到例如通过实际设定和调节流过该冷却循环部分的冷却流体的体积流来实现定量控制。

19、另外，本发明的主题是提供一种燃料电池系统，其具有带有阳极部和阴极部的燃料电池堆。阳极部配备有用于供应阳极供应气体的阳极供应部和用于排出阳极废气的阳极排出部。阴极部配备有用于供应阴极供应气体的阴极供应部和用于排出阴极废气的阴极排出部。另外，燃料电池系统具有用于冷却燃料电池系统的系统组成部件的冷却循环。这种燃料电池系统的特点是，在阳极排出部内设置用于在本发明的调温壳体内从阳极废气中分离出水的分离装置。故本发明的燃料电池系统也带来与关于本发明的调温壳体所明确解释的相同的优点。

20、本发明的另一主题是一种根据本发明的调温壳体在本发明燃料电池系统冷启动时的调温方法，该方法具有以下步骤：

21、-启动燃料电池系统的运行，

22、-运行冷却循环，用以从该燃料电池系统的系统组成部件吸收废热，

23、将至少一部分所吸收的废热输送至该冷却循环的在该壳体内腔中的部分，以传递给该分离装置。

24、本发明方法也带来与关于本发明调温壳体所明确解释的相同的优点。