用于产生和处理水的设备、用于产生和处理水的方法以及具有这种设备的飞行器

摘要

一种用于产生和处理水的设备（2），包括：具有水产生系统的燃料电池（4）、用于使水盐化的盐化单元（14）、用于获取盐化单元（14）的操作状态的状态测量装置（16）、用于容纳水的水容纳储存器（6、18）、用于测量盐含量已经增加的水的水质的水质测量装置（20）、以及控制单元（10）。盐化单元（14）设计为向水添加碱性盐，使得除了增加并稳定所分配的水的盐含量之外，还增加并稳定所分配的水的过酸的pH值。为此目的，控制单元（10）连接至水质测量装置（20）并且连接至状态测量装置（16），并且该控制单元设计成根据盐化单元（14）的操作状态和测得的水质来控制盐化单元（14），从而设定预定的水质。

说明书

相关申请的交叉引用

本申请要求2011年5月20日提交的德国专利申请No.102011102177.2 以及2011年5月20日提交的美国临时专利申请No.61/488,632的申请日 的权益，上述申请的公开内容在此通过参引并入本文。

技术领域

本发明涉及用于产生和处理水的设备、用于产生和处理水的方法以及 包括飞行器中的这种设备的飞行器。

背景技术

用于在运输工具上产生水的设备是已知的；它们是基于借助于燃料电 池系统的排放气体来产生水的。燃料电池的潮湿的排放气体在冷凝器中被 冷却并且随后借助于水分离器与排放气体分离。

此外，对以这种过程获得的水进行处理是已知的：由于离子含量非常 小，因此通过盐化作用以增加含盐量或渗透压使得这种水适于人类消耗。 即，例如在DE10142215 Al中所公开的内容。

发明内容

从燃料电池的排放气体冷凝的水包含非常低的离子含量，并且实际上 没有缓冲容量，并且因此溶液——尤其是从来自环境空气的CO₂——产生 的冷凝物的pH值在大约5.5或更小的酸性范围，该pH值低于德国饮用水 条例（German Drinking Water Ordinance）的下限。虽然可以借助于使用 中性盐使冷凝物盐化而增加冷凝物的含盐量，但是这对过低的pH值和缓 冲容量不会有任何影响。

因此，本发明的目的是提出用于产生和处理水的如下设备和方法，在 该设备和方法中达到了如下的饮用水质量，该饮用水质量提供充足的含盐 量、缓冲容量以及在由通常使用的饮用水规章所规定的数值范围内的pH 值。

该目的通过具有独立权利要求1的特征的用于产生和处理水的设备来 满足。在从属权利要求中陈述了有利的改进。

根据本发明用于产生和处理水的设备包括：具有水产生系统的燃料电 池、使水盐化为具有可变盐浓度的盐化单元、用于获取盐化单元操作状态 的状态测量装置、用于容纳水的水容纳储存器、用于测量盐含量已经增加 的水的水质的水质测量装置、以及控制单元。盐化单元设计为向水添加具 有碱性效应的碱性盐。水容纳储存器设置在盐化单元的下游，用于容纳盐 含量已经增加的水，并且水容纳储存器连接至水质测量装置。水质测量装 置设置在盐化单元的下游。控制单元连接至水质测量装置并且连接至状态 测量装置，并且该控制单元设计成根据盐化单元的操作状态和测得的水质 来控制盐化单元，从而设定水容纳储存器中的预定的水质。

如上所述，燃料电池处于如下状态：借助于氢的氧化而产生含有水蒸 汽的排放气体，从该排放气体中能够冷凝并且移出水。在水产生系统中获 得的冷凝物含有5.5或更低的pH值。作为本发明核心的盐化单元设计成 具有适于增加冷凝物pH值的碱性盐或盐混合物。使碱性盐与冷凝物混合， 因此同时增加了所获得的水的含盐量、缓冲容量以及pH值。在该上下文 中，术语“缓冲容量”是指在添加酸或化学碱时，溶液pH值的改变程度 明显小于非缓冲系统中pH值改变程度的能力。优选地，盐或盐混合物以 盐含量的优化增加和pH值的优化调节能够同时发生的方式平衡。碳酸氢 钠是这种盐的一个示例。

此外，液体能够流动穿过或抵靠其流动的盐本体的几何学上可确定的 剩余尺寸、储存在盐化单元中现存的盐、或盐溶液的可用数量被认为是盐 化单元的操作状态。在该设备中，操作状态大体上代表与盐化单元的操作 特性相关的特性变量，该变量表征盐化单元的盐化行为。另外，对控制单 元的基本要求是获知哪些物理参数作为被控制的变量在调节或控制盐化 单元以使供给至盐化单元的冷凝物实现期望的盐化时将发生改变。这些参 数例如可包括流动穿过盐化单元的水的容积流量。为了控制盐化单元而将 这些参数考虑在内，例如可以使用具有可调节容积流量的输送装置，如可 以是调节容积流量的阀，或者可使用造成预定容积流量穿过盐化单元的其 他装置。

在使用控制单元的情况下，该控制单元既连接至水质测量装置又连接 至状态测量装置，水容纳储存器中期望的饮用水质量能够被自动地设定。 因此，本发明描述了用于产生和处理水的设备，借助于该设备能够将盐添 加至从燃料电池获得的去离子水中，从而使得在考虑燃料电池的可变的水 产量和盐化单元的可改变的盐输送的情况下，自动地符合根据饮用水条例 的与pH值和电导率有关的限制。理想地，仅将盐添加到水硬度较低的程 度。这使装置和管道的钙化作用最小化。

在有利的实施方式中，盐化单元包括设置在燃料电池下游的输送装置， 该输送装置设计为将水从燃料电池或其水产生系统引导至盐化单元。一般 而言，输送装置设计为使来自水产生系统的冷凝物加压至一定程度，使得 能够执行将冷凝物运送到分配盐离子的盐化装置。在该设备中，输送装置 可以以多种方式实施。除了叶轮泵或活塞泵之外，也可以提供阀的间歇式 操作，用于将压缩空气供给至水产生系统的中间储存器，从而用于压缩空 气驱动的冷凝物输送。如上所述，由输送装置引起的容积流量优选是可调 节的。

在本发明的有利实施方式中，水质测量装置是用于测量水的电导率的 装置。从燃料电池的排放气体获得的冷凝物包括非常少的离子，并且因此 包括非常低的含盐量和低的电导率。除了增加含盐量之外，盐化对pH值 也具有有利效应，使得能够将水的电导率用作与含盐量和pH值都相关的 测量变量。由于碱性盐或盐混合物的使用，通过测量盐含量已增加的水的 电导率——例如通过实验确定——和来自水产生装置的冷凝物的通常的 pH值，根据水的电导率可以直接推导盐含量已增加的水的设定pH值。这 避免了对复杂pH值测量的需要，例如在运输工具中使用根据本发明的设 备，由于其中发生的温度、振动和运动力，使用传统方法几乎不可行。

在本发明的优选实施方式中，盐化单元包括由壳体包围的至少一个盐 本体，其中壳体包括入口和出口，使得由于围绕该盐本体的流动或穿过该 盐本体的流动而使盐离子分配至穿过入口流入并穿过出口流出的水中。这 种盐化单元执行连续的盐化过程，在该过程中盐离子能够连续不断地被分 配至流动穿过的水中。壳体能够设计为任何形式，只要其确保水与容纳在 壳体中的盐本体发生密集接触并且没有由于壳体材料而将另外的不期望 物质引入至水中即可。这种盐化单元与如下优点相关联：在最大可能的程 度上实现了除消耗后更换之外的免维护操作，这是由于使用专有的被动部 件的结果。

在本发明的有利实施方式中，盐化单元包括彼此隔开的数个分开的盐 化装置，这些盐化装置能够各自经受盐含量待增加的冷凝物。这使得可以 实现提高盐化单元操作的可靠性，这是由于在数个盐化装置中的一个盐化 装置失效的情况下，不需要假定各个盐化单元的所有盐化装置的性能都被 阻碍。此外，在该实施方式中多种盐能够容纳在分开的盐化装置中，并且 因此避免了在生产、存储以及使用过程中各材料之间不期望的相互作用。

在有利的实施方式中，分开的盐化装置通过并联连接而互相连接。各 个阀使得可以各自地控制穿过相应盐化装置的容积流量，从而使得在故 障、可用盐的消耗等期间将任何受影响的盐化装置与冷凝物的流入相隔 离，并且将用于使冷凝物盐化的另一盐化装置打开。在使用壳体中的盐本 体的情况下，通过相继消耗分开的盐化装置中的数个盐本体，这种并联连 接使得可以延长与未耗尽的盐本体的更换或再填充有关的维护间隔期。为 了避免多种盐之间任何不期望的反应，各个盐化装置也可以包括以不同的 容积流量——能够由阀控制——流动的不同的盐。

在同样有利的实施方式中，分开的盐化装置以串联连接的形式互相连 连。这提供了如下的特别优点：由于盐含量待增加的冷凝物的容积流量非 常小，使得可以进行相当快或强烈的盐化。

应当理解的是，数个盐化单元也可以包括各自互相连接成串联连接或 并联连接的分开的盐化装置。因此，可以结合不同连接形式的各自的优点。 数个盐化单元——包括互相连接为串联的盐化装置——的并联连接显得 特别有利。

在本发明的有利实施方式中，所述设备包括设置在盐化单元上游的至 少一个中间储存器。连续的容积流量有利于通过围绕盐本体或穿过盐本体 的流动来确保对盐浓度和盐本体尽可能均匀溶解的有效控制。由于来自燃 料电池的水产量不会受到影响，因此将中间储存器提供为缓冲区。在进一 步优选的方式中，提供填充水平传感器，该填充水平传感器测量中间储存 器的填充水平并将其传送至控制单元。当达到关于中间储存器填充水平的 最大值时，借助于打开的阀使水输送穿过盐化单元。如果数值下降至最小 值之下，则通过关闭该阀再次中断进入盐化单元的流动。这造成间歇式 操作。

在本发明的有利实施方式中，盐化单元包括存储罐和计量装置，其中， 计量装置设计为将计量数量的含盐物质从存储罐分配到水容纳储存器。这 种类型的盐化被称为非连续的盐化，其中离散数量的含盐物质被分配至水 容纳储存器以增加盐浓度。含盐物质可以包括多种特性并且能够呈现为固 态、粉末状或晶体状的形式，并且作为替代也可为溶液的液态形式。

在本发明的有利改进中，上述水容纳储存器设计为供应储存器，其用 于将水供应至水系统，由此用作为主储存器。因此，在该特定的情况下， 盐化单元设计为直接将离散数量的含盐物质填充至淡水系统——例如飞 行器的淡水系统——的淡水罐中，并且盐化单元设计为提供适于人类消耗 的水质。

在本发明的有利实施方式中，水容纳储存器是中间储存器，该中间储 存器优选设置在供应储存器的上游并且能够连接至所述供应储存器。因 此，如有需要，中间储存器可以连接至供应储存器以将大量盐含量已经充 分增加的冷凝物分配至供应储存器。因此，供应储存器仅填充有盐含量已 经充分增加的水。在该设备中，中间储存器形成缓冲储存器，该中间储存 器由来自燃料电池的冷凝物连续地填充，使得如果检测到特定的填充水 平，则盐化单元实施非连续的盐化，此后将盐含量已经增加的水从中间储 存器供给至供应储存器。

在有利的实施方式中，控制单元借助阀而连接在中间储存器与供应储 存器之间并且设计为在添加计量数量的含盐物质之后确定中间储存器中 容纳的水的盐含量何时充分增加。通过将使用固态含盐物质的平均溶解时 间考虑在内，能够确保在从中间储存器移出盐含量已经增加的水期间没有 盐残余物残留在中间储存器中，并且确保供应储存器总是含有规定的盐浓 度。

在有利的实施方式中，存储罐容纳优选高浓度并且基本饱和的含盐溶 液，使得通过添加该含盐溶液，能够提供相当快速而无需观察溶解时间等 的盐化。

在本发明的同样有利的实施方式中，存储罐容纳包括含盐物质的水溶 性片剂，其中例如借助于计量装置将预定的数量的盐片剂放置在储存器 中。在该设备中，计量装置可以为旋转滑动件，在使用堆叠的片剂的情况 下，可以在任何给定的时间使用滑门将最下面的片剂添加至水中。

在本发明的同样有利的实施方式中，水容纳储存器——可为供应储存 器或中间储存器——包括能够连接至控制单元的填充水平传感器，其中， 控制单元设计为根据储存器中的水质和填充数量来确定要被放置到储存 器中的含盐物质的数量以达到饮用水的预定质量，并且设计为控制计量装 置使得计量装置输送确定的数量。以此方式，根据储存器中现存的盐浓度， 可以自动确定所需的盐的数量——该数量是达到所需盐含量和所需pH值 所必需的——以在随后的连续或非连续的方法中将该所需的盐量考虑在 内。在该设备中，能够在无需必要人工干预的情况下使储存器中的水达到 饮用水的基本恒定的质量。

与该方法有关的目的通过具有另一独立权利要求特征的方法满足。根 据本发明的方法基本包括产生水的特征：借助于燃料电池处理和随后的冷 凝、借助于测量水的水质、借助于通过向水添加碱性盐的盐化、以及借助 于获取盐化单元的操作状态。

为了设定饮用水的期望质量，控制单元根据所确定的水质和所确定的 操作状态来控制盐化单元。

如上所述，在有利的实施方式中，盐化可以包括穿过盐化单元的流动， 该盐化单元具有由壳体包围的盐本体；可替代地或除此之外，还包括借助 于计量装置输送含盐物质。

在有利的实施方式中，使用了数个分开的盐化单元，其中，根据各个 盐化装置的操作状态，控制单元打开或关闭盐化装置的各自的停止阀。

根据本发明的设备及根据本发明的方法尤其适于在飞行器上产生和处 理水，其中通过使用燃料电池能够节省随之携带的水的重量。但是，根据 本发明的设备及根据本发明的方法确保了能够达到自动设定的饮用水的 质量，即使在由燃料电池产生的水改变的情况下亦是如此。

附图说明

在对附图和示例性实施方式的下述描述中公开了本发明的其它特 征、优点以及应用选择。所有描述的和/或示出的特征本身及其任意组 合形成本发明的主题，不管它们在各权利要求中的组成或它们的相互关 系如何。此外，在图示中相同或相似的部件具有相同的附图标记。

图1示出了根据本发明的设备的第一示例性实施方式的基于块的示意 图。

图2示出了具有并联连接的两个盐化单元的第二示例性实施方式。

图3示出了具有串联连接的两个盐化单元的另一示例性实施方式。

图4示出了具有再循环管路的又一示例性实施方式。

图5示出了具有再循环管路和并联连接的两个盐化单元的另一示例性 实施方式。

图6示出了具有再循环管路和串联连接的两个盐化单元的又一示例性 实施方式。

图7示出了实施根据本发明的方法时的pH值曲线。

图8示出了具有包括测量单元的盐化单元的示例性实施方式。

图9示出了具有包括测量单元的盐化单元的又一示例性实施方式。

图10示出了包括根据本发明的设备的飞行器。

具体实施方式

图1以基于块的示意图示出了根据本发明的用于产生和处理水的设备 2。为此目的，提供了包括水产生系统的燃料电池4（未具体示出）。在燃 料电池4中产生的水例如以重力驱动的方式供给至作为示例示出的中间储 存器6，该中间储存器6包括设计为测量中间储存器6的当前填充水平的 填充水平感应器8。测得的填充水平以信号的形式传送至控制单元10。

输送装置12——也连接至控制单元10——将水从中间储存器6输送至 盐化单元14，该盐化单元14设计为使进入或流动通过盐化装置中的水富 有盐离子。盐化单元14的操作状态通过状态测量装置16获取，该状态测 量装置16将相应的信号传输至控制单元10。从盐化单元14流出的盐含量 已经增加的水供给至供应储存器18，该供应储存器18连接至水质测量装 置20。

在特别优选的方式中，水质测量装置设计为确定水的电导率。从影响 盐含量与使用的碱性盐或盐混合物的pH值之间的相互关系，能够根据供 应储存器18中的水的电导率推导所产生的pH值。相应的信号传输至控制 单元10。作为对此的替代方式，水质测量装置20能够直接确定供应储存 器18中的水的pH值，由于温度、振动以及运动力，当在运输工具中应用 这种过程可能是困难的。

在示出的示例性实施方式中，盐化单元14可以以盐本体设置在包括入 口和出口的壳体中的方式进行设计。穿过入口流入壳体并穿过出口又从壳 体流出的水穿过或围绕盐本体流动，该盐本体随后将盐离子分配至水中。 在该设备中，水中的盐浓度取决于运动穿过盐化单元14的容积流量。因此 容积流量能够表示用于控制单元10的受控变量。

盐本体——例如是其外直径在围绕该本体的连续流动过程中减小的圆 柱形或棒形的本体——的消耗过程是有助于确定所产生的含盐量的另外 的物理参数。由于直径的减小，分配盐离子的盐本体的表面由此变得更小， 并且因此在每单位时间的容积流量恒定的情况下，将连续地分配更少的盐 离子。状态测量装置16设计为根据盐化单元14的相应设计来确定表征分 配盐离子能力的参数。在示出的情况中，该参数可以部分地由水能够绕其 流动的外表面的直径或尺寸来确定。

为了确保即使在燃料电池4的操作条件改变的情况下也能够保持供应 储存器18中的盐浓度恒定，对盐化过程的控制是必需的，该控制由控制单 元10借助使用所传输的所述变量进行。通过获知测得的电导率或pH值的 变量以及盐化单元14的操作状态，控制单元10基本能够根据盐化单元14 将盐离子分配至流动穿过的水的相应能力来控制输送装置12，以影响盐化 单元14，从而将恒定饮用水质的水填充至供应储存器18中。

图2示出了微小的改型，在该改型中，根据本发明的设备22包括盐化 单元24，该盐化单元24包括形成并联连接的两个分开的盐化装置26和28。 通过设置能够影响流量的阀30和32，来自输送装置12的水能够流动穿过 一个盐化装置26或另一盐化装置28，或者流动穿过盐化装置26和28二 者。因此，状态测量装置16既连接至一个盐化装置26又连接至另一盐化 装置28。相应的信号被传送至控制单元10。

在更加复杂的盐组成物的情况中，在盐本体的制造过程中或者盐本体 与水在图1示出的单个盐化单元14内接触的过程中，盐组成物中可能发生 不期望的反应，这种不期望的反应导致在盐本体中例如可能产生溶解度极 其不同的混合物。在某些情况下，这导致阻碍盐化单元14的功能，使得不 再能够获得期望的盐浓度。为了避免这种情况，根据本发明的设备22可以 扩展为使用并联连接的两个或更多个盐化装置26和28的效应。那么，每 个盐化装置26或28仅包括某些盐组分，使得能够防止不期望的反应。

为了调节穿过盐化装置26和28的容积流量，使用了阀30和32，这 些阀可以由控制单元10控制，使得能够实现不同盐化装置26和28的各自 的混合比例。

作为对此的替代方式，这两个盐化装置26和28也可以包括相同的盐 本体，并且阀32和30被相继地打开，使得已经消耗完盐化装置26或28 的盐本体之后，消耗下一个盐化装置28或26的盐本体。然而，为了增加 浓度或盐化速度，在这种情况下也可以通过使阀30和32完全打开而使水 流动穿过二者或者穿过所有盐化装置26和28。穿过盐化单元24的总容积 流量保持相同，但是26和28的各容积流量小于总容积流量，因此，所产 生的离散流体容积在盐本体等的盐离子分配表面上与具有更高容积流量 并因此具有更高盐浓度所能够达到的情况相比花费更多的时间。

参照仅作为示例的图2，其示出了使用两个分开的盐化装置26和28， 但是理论上可以使用并联连接的任何数量的盐化装置。

图3中示出的根据本发明的设备34的示例性实施方式包括盐化单元 36，该盐化单元36具有互相连接为串联连接的两个分开的盐化装置38和 40。在穿过两个盐化装置38和40的容积流量不变的情况下，液体相继流 动穿过这两个盐化装置38和40，极大程度上甚至发生盐的溶解，使得能 够达到总体上相当高的盐浓度。两个盐化装置38和40也可以包括不同的 盐或盐的混合物，使得如同图2中的示例能够排除各种盐的不期望的反应。 在该示例性实施方式中两个盐化装置38和40也都连接至状态测量装置16 以获取操作状态。

根据本发明的设备42——其在图4中示出——包括微小的改型设计。 在根据图1的设备中，水流动穿过盐化单元14恰好一次，仅能够借助于调 节容积流量设定期望的盐浓度。由于不能按照意愿选择这种流动的程度， 因此盐本体自身的溶解速度应当尽可能好地匹配总体系统的容积流量条 件。作为替代，可以使用图4中示出的设备42。该示例性实施方式的特征 在于：输送装置12将水从水容纳储存器——该储存器可以是中间储存器6 或供应储存器18——供给至盐化单元14，并且借助于再循环管路44将盐 含量已经增加的水供给回到储存器。通过借助于水质测量装置20连续地测 量水质，控制单元10可以检测水容纳储存器中的盐浓度何时是足够的。如 果储存器是中间储存器6，则该中间储存器6之后能够将水排空至由虚线 指示的供应储存器18。如果储存器是供应储存器18，该供应储存器18可 以直接将水供应至水消费者。

根据图5的根据本发明的设备46的另外示例性实施方式中，盐化单元 48包括并联连接的具有阀30和32的两个盐化装置26和28，类似于图2 中示出的设备。

同样地，图6示出了为根据本发明的设备50形式的另一改型，在该改 型中盐化单元52包括串联连接的两个盐化装置38和40。

图7中示出了控制原理的示例。示出了随时间变化投射的pH值曲线。 在时间t₀点，燃料电池4被关掉，水容纳储存器6或18中容纳了一定数 量的水，该水具有例如为8的pH值。在t₁处，接通燃料电池4。去离子 的水被输送至中间储存器6或供应储存器18。因此，由于盐浓度稀释的结 果，pH值下降。在下降到低于预定的下限之后，在t₂处，水被输送穿过 盐化单元，因此pH值上升。在t₃处，已经达到pH值的预定上限，例如 为9，并且输送被中断。由于燃料电池4继续产生水，因而pH值再次下 降。在t₄处，燃料电池4的操作条件改变为产生较少水的效应，因此稀释 和pH值下降减慢。在t₅处，再次达到pH值为7形式的下限，在这之后， 如上所述地再次启动盐化。

图8和图9分别示出了根据本发明的设备54和设备56，在这些设备 中，使用了非连续的盐化单元58或60。在图9中，盐化单元60包括并联 连接的两个分开的盐化装置62和64。设备54和56的特征在于：计量单 元（未更具体地示出）以非连续的方式将离散数量的含盐物质从存储罐分 配到水容纳储存器66中的水，该水容纳储存器66设计为供应储存器或者 为中间储存器。如果水容纳储存器66是中间储存器，那么盐含量已经增加 的水可以最终输送至供应储存器18。

最后，图10示出了包括燃料电池系统并且通过使用根据本发明的设备 来提供饮用水供应的飞行器68。

另外，应当指出，“包括”并不排除其它的元件或者步骤，并且“一” 或“一个”并不排除多个。此外，应当指出，已参照上述示例性实施方 式之一描述的特征或步骤也可以与上述的其它示例性实施方式的其它 特征或步骤组合使用。权利要求中的附图标记不应理解为限制性的。