CN102412407A - 用于开始氢气散布的锥形阳极集管插件 - Google Patents

用于开始氢气散布的锥形阳极集管插件 Download PDF

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Abstract

本发明涉及用于开始氢气散布的锥形阳极集管插件，公开了一种接收在燃料电池组件的进口集管内的流体分布插入件。所述流体分布插入件包括具有第一端和第二端的楔形部分。所述楔形部分在所述进口集管的表面与所述楔形部分之间形成流体流路，其中所述流体流路其中接收流体，并输送流体到所述燃料电池组件的多个燃料电池。所述楔形部分最小化了所述流体流路与所述楔形部分的第二端相邻的截面积，以沿所述流体流路的长度保持基本上恒定的流体速度。

Description

用于开始氢气散布的锥形阳极集管插件
技术领域
本公开涉及一种燃料电池堆，更特别地，涉及这样一种燃料电池堆，包括布置在其进口集管中的插件，以便于流体基本上同时流到燃料电池堆的燃料电池。
背景技术
燃料电池电力系统将燃料和氧化剂（反应物）转化为电力。一种燃料电池电力系统使用质子交换薄膜（PEM），以催化地促进燃料（例如氢气）与氧化剂（例如空气或氧气）的反应，从而发电。水是电化学反应的副产物。PEM为固体聚合物电解质，其促进通常布置在燃料电池电力系统中的燃料电池堆的各燃料电池中质子从阳极电极到阴极电极的转移。
在典型的燃料电池组件中，各燃料电池都具有带通道的燃料电池板，各种反应物和冷却流体流过所述通道。例如，燃料电池板可为单极的。通过组合单极板可形成双极板。氧化剂从阴极进口集管供给到阴极电极，燃料从阳极进口集管供给到阳极电极。水副产物从通道到出口集管的运动通常由通过燃料电池组件折反应物的流动引起。边界层剪切力和反应物的压力帮助液态水输送通过所述通道，直到水通过出口集管排出燃料电池为止。
薄膜电极组件（MEA）布置在连续的板之间，以促进电化学反应。所述MEA包括阳极电极、阴极电极和布置在其间的电解质薄膜。多孔扩散介质（DM）位于MEA的两侧，以便于用于电化学燃料电池反应的反应物的传输。
当开始燃料电池堆中的电化学燃料电池反应时，通常期望以如下方式提供氢燃料：使各燃料电池于基本相同的时间在其活性区域接收氢气。然而，进口集管通常以如下方式填充氢气：使最靠近进口集管的氢气入口的燃料电池为接收氢气的第一燃料电池，离进口集管的氢气入口最远的燃料电池为接收氢气的最后一个燃料电池。
当氢气流进燃料电池板的活性区域时，可测量到局部的电压上升。当向燃料电池堆施加电力负载时，所述电压上升产生被动通过燃料电池堆其余燃料电池板的电流。燃料电池堆中未具有足量氢气支持电流的燃料电池会经历反转的电压，从而导致电极碳腐蚀。延迟电化学燃料电池反应的开始，直到所有燃料电池都被供给有氢气为止，通常导致氢气通过燃料电池堆的出口集管的不期望排放、和对先接收氢气的电池的阴极电池的碳腐蚀，不利于电力负载抑制这些电池的电压。
已经使用了多种技术在燃料电池堆中的电化学燃料电池反应开始时同时给每个燃料电池提供氢气。美国专利申请公开No.2005/0129999中公开了包括设置进口集管泄压阀的一种这类技术。泄压阀使进口集管能够在开始电化学燃料电池反应之前就充满氢气。泄压阀提高了燃料电池系统的成本，并给燃料电池系统引入了额外的运动零件。
另一种技术使用了多个流体通道形成向燃料电池堆进口集管内的散布位置供给氢气的外部集管。美国专利No.6,924以及美国专利申请公开No.2005/0118487和No.2006/0280995中总地示出了这种技术。外部集管相对于燃料电池堆难以密封，提高了燃料电池堆的成本和总体积。
期望提供一种用于燃料电池堆的成本有效进口集管插入件，其促进了在电化学燃料电池反应开始时氢气燃料到燃料电池堆中每个燃料电池的基本上同时的传输。
发明内容
与本发明协调一致，令人惊讶地发现了一种用于燃料电池堆的成本有效进口集管插入件，其促进了在电化学燃料电池反应开始时氢气燃料到燃料电池堆中每个燃料电池的基本上同时的传输。
在一个实施方式中，一种用于燃料电池组件的流体分布插入件，包括具有第一端和第二端的楔形部分，所述楔形部分接收在所述燃料电池组件的进口集管中，以在形成所述进口集管的表面与所述楔形部分之间形成流体流路，其中所述流体流路适于在其中接收流体和输送流体到所述燃料电池组件的多个燃料电池，其中所述楔形部分最小化了所述流体流路与所述楔形部分的第二端相邻的截面积，以沿所述流体流路的长度保持基本上恒定的流体速度。
在另一实施方式中，一种用于燃料电池组件的流体分布插入件，包括：具有第一端和第二端的楔形部分，所述楔形部分接收在所述燃料电池组件的进口集管中，以在形成所述进口集管的表面与所述楔形部分之间形成流体流路，其中所述流体流路适于在其中接收流体和输送流体到所述燃料电池组件的多个燃料电池；以及具有第一端和第二端的挡板部分，所述挡板部分接收在所述燃料电池组件的进口集管中，其中所述挡板部分的第二端与所述楔形部分的第一端配合在其间形成流体通道，其中所述楔形部分最小化了所述流体流路与所述楔形部分的第二端相邻的截面积，以沿所述进口集管的长度保持基本上恒定的流体速度。
在另一实施方式中，一种燃料电池组件，包括：第一端板和间隔开的第二端板；布置在所述第一端板与所述第二端板之间的多个燃料电池；与所述燃料电池流体连通的进口集管，用于向所述燃料电池供给反应气体；以及接收在所述燃料电池组件的进口集管中的流体分布插入件，所述流体分布插入件包括：具有第一端和第二端的楔形部分，所述楔形部分接收在所述燃料电池组件的进口集管中，以在形成所述进口集管的表面与所述楔形部分之间形成流体流路，其中所述流体流路适于在其中接收流体和输送流体到所述燃料电池组件的多个燃料电池；以及具有第一端和第二端的挡板部分，所述挡板部分接收在所述燃料电池组件的进口集管中，其中所述挡板部分的第二端与所述楔形部分的第一端间隔开以在其间形成流体通道，其中所述楔形部分最小化了所述流体流路与所述楔形部分的第二端相邻的截面积，以沿所述进口集管的长度保持基本上恒定的流体速度并减少起动氢气到达所述楔形部分第二端附近的最远电池的到达时间从而具有更加近似于所述楔形部分第一端附近的电池的氢气到达时间。
本发明提供下列技术方案。
技术方案1：一种用于燃料电池组件的流体分布插入件，包括：
具有第一端和第二端的楔形部分，所述楔形部分接收在所述燃料电池组件的进口集管中，以在形成所述进口集管的表面与所述楔形部分之间形成流体流路，其中所述流体流路适于在其中接收流体和输送流体到所述燃料电池组件的多个燃料电池，其中所述楔形部分最小化了所述流体流路与所述楔形部分的第二端相邻的截面积，以沿所述流体流路的长度保持基本上恒定的流体速度。
技术方案2：如技术方案1的流体分布插入件，还包括具有第一端和第二端的挡板部分，所述挡板部分的第二端与所述楔形部分的第一端间隔开，其间形成流体通道。
技术方案3：如技术方案2的流体分布插入件，其中所述挡板部分的第二端联接至所述楔形部分的第一端。
技术方案4：如技术方案2的流体分布插入件，所述挡板部分还包括形成在所述挡板部分的第一端附近的联接构件、以及具有第一侧和间隔开的第二侧的壁构件，所述壁构件从所述联接构件向外延伸并终止于所述挡板部分的第二端。
技术方案5：如技术方案4的流体分布插入件，其中在所述挡板部分的联接构件上布置密封构件。
技术方案6：如技术方案5的流体分布插入件，其中所述密封构件为O形圈。
技术方案7：如技术方案4的流体分布插入件，其中在所述挡板部分的壁的第一侧中形成流动通道，以输送流体到所述燃料电池。
技术方案8：如技术方案4的流体分布插入件，其中突起从所述挡板部分的壁的第二侧向外延伸，所述突起接收在形成于所述楔形部分的第一端中的开孔内，以将所述楔形部分和所述挡板部分联接在一起。
技术方案9：一种用于燃料电池组件的流体分布插入件，包括：
具有第一端和第二端的楔形部分，所述楔形部分接收在所述燃料电池组件的进口集管中，以在形成所述进口集管的表面与所述楔形部分之间形成流体流路，其中所述流体流路适于在其中接收流体和输送流体到所述燃料电池组件的多个燃料电池；以及
具有第一端和第二端的挡板部分，所述挡板部分接收在所述燃料电池组件的进口集管中，其中所述挡板部分的第二端与所述楔形部分的第一端配合以在其间形成流体通道，其中所述楔形部分最小化了所述流体流路与所述楔形部分的第二端相邻的截面积，以沿所述进口集管的长度保持基本上恒定的流体速度。
技术方案10：如技术方案9的流体分布插入件，其中所述挡板部分的第二端联接至所述楔形部分的第一端。
技术方案11：如技术方案9的流体分布插入件，所述挡板部分还包括形成在所述挡板部分的第一端附近的联接构件、以及具有第一侧和间隔开的第二侧的壁构件，所述壁构件从所述联接构件向外延伸并终止于所述挡板部分的第二端。
技术方案12：如技术方案11的流体分布插入件，其中在所述挡板部分的联接构件上布置密封构件。
技术方案13：如技术方案11的流体分布插入件，其中在所述挡板部分的壁的第一侧中形成流动通道，其中所述流体通道适于在其中接收流体，以输送流体到所述燃料电池组件的多个燃料电池中的至少一个。
技术方案14：如技术方案11的流体分布插入件，其中突起从所述挡板部分的壁的第二侧向外延伸，所述突起接收在形成于所述楔形部分的第一端中的开孔内，以将所述楔形部分和所述挡板部分联接在一起。
技术方案15：一种燃料电池组件，包括：
第一端板和间隔开的第二端板；
布置在所述第一端板与所述第二端板之间的多个燃料电池；
与所述燃料电池流体连通的进口集管，用于向所述燃料电池供给反应气体；以及
接收在所述燃料电池组件的进口集管中的流体分布插入件，所述流体分布插入件包括：
具有第一端和第二端的楔形部分，所述楔形部分接收在所述燃料电池组件的进口集管中，以在形成所述进口集管的表面与所述楔形部分之间形成流体流路，其中所述流体流路适于在其中接收流体和输送流体到所述燃料电池组件的多个燃料电池；以及
具有第一端和第二端的挡板部分，所述挡板部分接收在所述燃料电池组件的进口集管中，其中所述挡板部分的第二端与所述楔形部分的第一端间隔开以在其间形成流体通道，其中所述楔形部分最小化了所述流体流路与所述楔形部分的第二端相邻的截面积，以沿所述进口集管的长度保持基本上恒定的流体速度。
技术方案16：如技术方案15的燃料电池组件，其中所述挡板部分的第二端联接至所述楔形部分的第一端。
技术方案17：如技术方案15的燃料电池组件，所述挡板部分还包括形成在所述挡板部分的第一端附近的联接构件、以及具有第一侧和间隔开的第二侧的壁构件，所述壁构件从所述联接构件向外延伸并终止于所述挡板部分的第二端。
技术方案18：如技术方案17的燃料电池组件，其中在所述挡板部分的联接构件上布置密封构件。
技术方案19：如技术方案17的燃料电池组件，其中在所述挡板部分的壁的第一侧中形成流动通道，其中所述流体通道适于在其中接收流体，以输送流体到所述燃料电池组件的多个燃料电池中的至少一个。
技术方案20：如技术方案17的燃料电池组件，其中突起从所述挡板部分的壁的第二侧向外延伸，所述突起接收在形成于所述楔形部分的第一端中的开孔内，以将所述楔形部分和所述挡板部分联接在一起。
附图说明
结合附图，本领域技术人员从下面优选实施方式的详细描述可容易地清楚本发明上面的以及其它优点，其中：
图1为根据本发明实施方式的燃料电池堆的局部透视图，示出了布置在燃料电池的进口集管中的分散式插入件；
图2为图1中所示燃料电池堆的移除了端板的顶视平面图；
图3为图1中所示分布式插入件的放大透视图；
图4为图1和图3中所示分布式插入件的放大侧视图；以及
图5为图1、图3和图4中所示分布式插入件的放大底视平面图。
具体实施方式
下面的描述实质上仅仅是示例性的，并不意欲限制本公开、应用或使用。还应当理解，遍及所有附图，相应的附图标记表示相同或相应的零件和特征。
图1-2示出了根据本公开实施方式的燃料电池组件10。燃料电池组件10包括布置在端板14、16之间的多个堆叠的燃料电池12。每个燃料电池12都包括入口18和出口20。燃料电池12被堆叠，使得每个燃料电池12的入口18和出口20都与相邻燃料电池12的相应入口18和出口20基本上对齐。共同地，各燃料电池12的入口18形成进口集管22，各燃料电池12的出口20形成出口集管24。进口集管22适于向燃料电池12的多个进口通道26从燃料源（未示出）提供反应物流，如燃料（例如氢气），或从氧化剂源（未示出）提供氧化剂（例如空气或氧气）。在所示实施方式中，进口集管22为向燃料电池提供燃料流的阳极进口集管。
端板14包括形成在其中与进口集管22流体连通的进口28和形成在其中与出口集管24流体连通的出口30。进口 28和出口30与相应的进口集管22和出口集管24基本上对齐。端板16可包括从其通过形成的与进口集管22流体连通的流体通道。应当理解，可在流体通道中设置例如减压安全阀、泄压阀等，以有选择地允许流体从其流动通过。
图3-5中清楚示出的流体分布插入件50布置在进口集管22中。如图所示，分布插入件50从端板14的入口28延伸至端板16。分布插入件50通常为具有挡板部分60和楔形部分90的细长插入件。挡板部分60包括第一端62和第二端64，其中第一端62布置在端板14的入口28的附近，第二端64联接至楔形部分90。如图1中所示，供给管路32提供从燃料源到形成于挡板部分60第一端62的入口66的流体连通。入口66提供从供给管路32通过挡板部分60进入燃料电池组件10的进口集管22的流体流路。
联接构件68形成在挡板部分60的第一端62，以便于将挡板部分60联接至供给管路32和/或端板14的入口28。可提供密封构件70（例如O形圈）以便于在联接构件68与供给管路32及端板14的入口28之间形成大致流体密封。应当理解，可设置其它联接构件，例如螺纹联接、卡扣联接等，以便于将挡板部分60联接到供给管路32和/或端板14的入口28。
壁72从联接构件68向外延伸，终止于挡板部分60的第二端64。壁72包括第一侧74和间隔开的第二侧76。第一侧74邻接形成端板14的入口28的表面。流动通道78形成在壁72的第一侧74上。流动通道78从挡板部分60的第二端64朝着挡板部分60的第一端62延伸，并在邻接端板14的燃料电池12附近终止。流动通道78在形成进口集管22的表面与挡板部分60之间形成流体流路。突起80形成在壁72的第二侧76上，与挡板部分60的第二端64相邻。突起80从壁72的第二侧76向外延伸，并将分布插入件50的挡板部分60和楔形部分90联接在一起。突起80使挡板部分60的第二端64与楔形部分90间隔开，以在其间形成流体通道。
楔形部分90包括第一端92和第二端94。如图4中所清楚示出的，楔形部分90为锥形的，其中楔形部分90的厚度总体上从第一端92向第二端94增大。楔形部分90包括第一侧96和间隔开的第二侧98。第一侧96面向燃料电池组件10的燃料电池12的进口通道26。楔形部分90在进口通道26附近的形成进口集管22的表面与楔形部分90的第一侧96之间形成流体流路，其中该流路的截面积总体上沿着楔形部分90的长度从其第一端92向第二端94减小。在楔形部分90中邻近其第一端处形成开孔100。开孔100接收挡板部分60的突起80，以将挡板部分60与楔形部分90联接。可使用粘合剂、焊接、卡扣等将突起80紧固到挡板部分60和楔形部分90上。应当理解，突起80可形成在楔形部分90中，开孔100可形成在挡板部分60中。还应当理解，可无需挡板部分60就使用楔形部分90，其中楔形部分90接收在进口集管22中以形成锥形的进口集管。应当理解，可在楔形部分90的第一侧96上形成垫片，以便于保持第一侧96与形成燃料电池组件10的进口集管22的表面间隔开。
分布插入件50可通过例如注模塑料材料形成，例如，其中挡板部分60和楔形部分90单独地形成，然后联接在一起，如图4中所示。应当理解，分布插入件50可使用其它工艺和材料形成。还应当理解，分布插插入件50可形成为一体式结构。另外，分布插入件50的至少一部分可由适于收集燃料中夹带的水的芯吸材料形成或包含这种材料。芯吸材料可为亲水材料、疏水材料、以及适于收集反应物中夹带的水的任何其它适当材料。应当理解，分布插入件50的截面形状可基本为例如圆形、椭圆形、三角形、方形、矩形、或曲线与基本上平面的组合，其中分布插入件50的截面形状适于接收在燃料电池组件10的进口集管22中。
使用中，分布插入件50插在进口集管22中，以将楔形部分90的第二端94定位在端板16的附近。应当理解，端板16或楔形部分90可包括适于将分布插入件50联接至端板16的构件。挡板部分的联接构件68被使得密封地接合形成入口28的表面和供给管路32，以提供燃料从燃料源通过供给管路32和挡板部分60的入口66进入进口集管22的流动。联接构件68便于将分布插入件50紧固在进口集管22中。分布插入件50相对于进口集管22定向，以定位形成在挡板60中的流动通道78和面向燃料电池12的进口通道26的楔形部分90的第一侧96。
燃料流入入口66并朝着挡板部分60的第二端64通过入口66。燃料在挡板部分60的第二端64与楔形部分90的第一端92之间流动。在挡板部分60的第二端，燃料的流动被分叉，其中一部分燃料接收在形成于挡板部分60的壁72的第一侧74中的流动通道78内，一部分燃料被楔形部分90的第一侧96与形成燃料电池组件10的进口集管22的表面之间形成的流体流路接收。燃料从流动通道78和楔形部分90的第一侧96与形成进口集管22的表面之间形成的流路流入燃料电池12的进口通道26。
当燃料流过楔形部分90的第一侧96与形成进口集管22的表面之间形成的流路时，流路内燃料的体积流率随着燃料被燃料电池12的进口通道26接收而减小。燃料减小的体积流率通常引起静态流体压力的增大和在与楔形部分90的第二端94相邻的流路中流动的燃料的速度的降低。然而，楔形部分90引起流路沿着其长度的容积的减小。由于燃料的容积因燃料注入燃料电池12的进口通道26而减小，所以流路减小的容积便于保持所选的流体压力和通过进口集管22的整个长度的燃料的速度。另外，在挡板部分60的与进口集管22的中点相邻的第二端64处将燃料分别引入挡板部分60的壁72和楔形部分90的第一侧74、96，最小化了从供给管路32到燃料电池12的进口通道26的流体流路的长度之间的差别。
通过沿着进口集管22的整个长度保持所选的流体压力和燃料的速度，并通过将燃料引入在沿其长度中间附近的进口集管22，最小化了引入燃料到燃料电池12之间的时间差。另外，通过最小化引入燃料到燃料电池12之间的时间差，最小化了燃料电池12中的局部反转电流以及相关的电极碳腐蚀，并最小化了通过出口集管的不期望氢气排放。
尽管为示出本发明目的给出了特定示意性实施方式和细节，但是本领域的技术人员应当清楚，在不脱离由所附权利要求进一步限定的本公开范围的情况下，可进行各种改变。

Claims (10)

1.一种用于燃料电池组件的流体分布插入件，包括：
具有第一端和第二端的楔形部分，所述楔形部分接收在所述燃料电池组件的进口集管中，以在形成所述进口集管的表面与所述楔形部分之间形成流体流路，其中所述流体流路适于在其中接收流体和输送流体到所述燃料电池组件的多个燃料电池，其中所述楔形部分最小化了所述流体流路与所述楔形部分的第二端相邻的截面积，以沿所述流体流路的长度保持基本上恒定的流体速度。
2.如权利要求1的流体分布插入件，还包括具有第一端和第二端的挡板部分，所述挡板部分的第二端与所述楔形部分的第一端间隔开，其间形成流体通道。
3.如权利要求2的流体分布插入件，其中所述挡板部分的第二端联接至所述楔形部分的第一端。
4.如权利要求2的流体分布插入件，所述挡板部分还包括形成在所述挡板部分的第一端附近的联接构件、以及具有第一侧和间隔开的第二侧的壁构件，所述壁构件从所述联接构件向外延伸并终止于所述挡板部分的第二端。
5.如权利要求4的流体分布插入件，其中在所述挡板部分的联接构件上布置密封构件。
6.如权利要求5的流体分布插入件，其中所述密封构件为O形圈。
7.如权利要求4的流体分布插入件，其中在所述挡板部分的壁的第一侧中形成流动通道，以输送流体到所述燃料电池。
8.如权利要求4的流体分布插入件，其中突起从所述挡板部分的壁的第二侧向外延伸，所述突起接收在形成于所述楔形部分的第一端中的开孔内，以将所述楔形部分和所述挡板部分联接在一起。
9.一种用于燃料电池组件的流体分布插入件，包括：
具有第一端和第二端的楔形部分，所述楔形部分接收在所述燃料电池组件的进口集管中，以在形成所述进口集管的表面与所述楔形部分之间形成流体流路，其中所述流体流路适于在其中接收流体和输送流体到所述燃料电池组件的多个燃料电池；以及
具有第一端和第二端的挡板部分，所述挡板部分接收在所述燃料电池组件的进口集管中，其中所述挡板部分的第二端与所述楔形部分的第一端配合以在其间形成流体通道，其中所述楔形部分最小化了所述流体流路与所述楔形部分的第二端相邻的截面积，以沿所述进口集管的长度保持基本上恒定的流体速度。
10.一种燃料电池组件，包括：
第一端板和间隔开的第二端板；
布置在所述第一端板与所述第二端板之间的多个燃料电池；
与所述燃料电池流体连通的进口集管，用于向所述燃料电池供给反应气体；以及
接收在所述燃料电池组件的进口集管中的流体分布插入件，所述流体分布插入件包括：
具有第一端和第二端的楔形部分，所述楔形部分接收在所述燃料电池组件的进口集管中，以在形成所述进口集管的表面与所述楔形部分之间形成流体流路，其中所述流体流路适于在其中接收流体和输送流体到所述燃料电池组件的多个燃料电池；以及
具有第一端和第二端的挡板部分，所述挡板部分接收在所述燃料电池组件的进口集管中，其中所述挡板部分的第二端与所述楔形部分的第一端间隔开以在其间形成流体通道，其中所述楔形部分最小化了所述流体流路与所述楔形部分的第二端相邻的截面积，以沿所述进口集管的长度保持基本上恒定的流体速度。
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