CN102637883A - 用于使垂直取向的集管中的浮力驱动流最少化的装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于使垂直取向的集管中的浮力驱动流最少化的装置，具体地，一种用于使燃料电池堆的歧管内部的浮力驱动的对流最少化的装置包括多个隔开的阻隔壁。所述隔开的阻隔壁被构造为设置在所述燃料电池堆的所述歧管内部。所述隔开的阻隔壁增大对所述歧管内部的所述浮力驱动的对流的粘滞阻力。

Description

用于使垂直取向的集管中的浮力驱动流最少化的装置
技术领域
本发明涉及一种燃料电池堆，且更具体地涉及一种设置在燃料电池堆的集管（header）中的插入装置。
背景技术
已经提出将燃料电池作为用于电动车辆和其它各种应用的清洁的、高效的且对环境负责的能源。具体地，已经将燃料电池视为用于在现代车辆中使用的传统的内燃发动机的潜在替代品。
一类燃料电池被称为质子交换膜（PEM）燃料电池。PEM燃料电池通常包括三个基本部件：阴极；阳极；以及电解质膜。阴极和阳极通常包括支撑在碳颗粒上且与离聚物混合的细分的催化剂，例如铂。电解质膜夹在阴极和阳极之间，从而形成膜电极组件（MEA）。MEA通常设置在质子扩散介质（DM）和燃料电池板之间，从而有助于电化学燃料电池反应的通常为氢和氧的气态反应物的传递。可以将单独的燃料电池串联在一起，从而形成给氢燃料电池供能的车辆供以动力的燃料电池堆。在受让人的序列号为11/622,492的共同未决的美国专利申请中描述了示意性的燃料电池堆，故通过引用将其全部公开内容并入本文。
如图1所示，已知的燃料电池堆2包括设置在干端单元6和湿端单元8之间的多个燃料电池4。每个燃料电池4包括设置在多孔DM和诸如双极板的一对燃料电池板之间的MEA。干端单元6通常设置在垂直取向的已知的燃料电池堆2的顶部或“干端”处。湿端单元8设置在已知的燃料电池堆2的底部或“湿端”处。每个燃料电池4的第一端具有形成在其集管中的进口孔，以将诸如氢或空气的气态反应物传递到燃料电池4。燃料电池4的第一端还具有形成在其集管中的出口孔，以将其它气态反应物和诸如水的反应产物从燃料电池4排出。进口孔协作以形成已知的燃料电池堆2的进口歧管10。出口孔协作以形成已知的燃料电池堆2的出口歧管12。燃料电池4还可以具有位于第一端处的冷却剂孔，其协作以形成冷却剂歧管11，以将冷却剂流体从燃料电池4传送或排放出去。应当理解的是，燃料电池堆2的第二端（未示出）还具有形成歧管的孔，以在燃料电池堆2的操作期间排放气态反应物、传送其它气态反应物以及将冷却剂流体进行传送或排放中之一。
已经观测到，在停工操作之后，已知的燃料电池堆2的温度轮廓（profile）包括与干端单元6和湿端单元8相邻的较低温度。温度轮廓主要是由于在干端单元6和湿端单元8处来自已知的燃料电池堆的热传导。温度轮廓导致进口歧管10和出口歧管12内的浮力驱动的自由对流14。温度轮廓和浮力驱动的自由对流14会在进口歧管10和出口歧管12中导致水蒸发和从较热区域向较冷区域的移动，以及在较冷区域中的冷凝。水在已知的燃料电池堆2的较冷的干端处的收集会导致在冰冻环境条件下的结冰和燃料电池4的流体端口的阻塞，和在已知的燃料电池堆2的起动期间的相关问题。
一直需要一种用于使由燃料电池堆的歧管内部的浮力驱动的对流所传输的在燃料电池堆的干端处的水累积最少化的装置。期望地，该装置减小在冰冻的环境条件下在燃料电池堆的停工期间由于结冰导致的反应物管道阻塞的风险，并且在燃料电池堆的起动期间使相关的问题最小化。
发明内容
根据本发明，意外地发现了一种用于使由燃料电池堆的歧管内部的浮力驱动的对流传输的在燃料电池堆的干端处的水累积最少化、减小在冰冻的环境条件下在燃料电池堆的停工期间由于结冰导致的反应物管道阻塞的风险并且在燃料电池堆的起动期间使相关的问题最小化的装置。
在第一实施例中，一种用于使燃料电池堆的歧管内部的浮力驱动的对流最少化的装置包括多个隔开的阻隔壁。所述隔开的阻隔壁被构造为设置在所述燃料电池堆的所述歧管内部。所述隔开的阻隔壁与所述燃料电池直接流体连通，并具有足以增大对所述浮力驱动的对流的粘滞阻力的表面积。
在另一实施例中，一种燃料电池堆包括：以堆设置的多个燃料电池；以及歧管，用于将流体传送到所述燃料电池和将流体从所述燃料电池排出中之一。一种用于使浮力驱动的对流最少化的装置设置在所述歧管内部。所述装置包括设置在所述燃料电池堆的所述歧管内部的多个隔开的阻隔壁。所述隔开的阻隔壁与所述燃料电池直接流体连通，并具有足以增大对所述浮力驱动的对流的粘滞阻力的表面积。
在其它实施例中，一种燃料电池堆包括在干端单元和湿端单元之间以堆设置的多个燃料电池。所述燃料电池堆还包括用于将反应物和水从所述燃料电池排出的歧管。所述湿端包括形成在其中的排放孔。所述排放孔与所述歧管连通。一种用于使浮力驱动的对流最少化的装置包括设置在所述燃料电池堆的所述歧管内部的多个隔开的阻隔壁。所述隔开的阻隔壁增大对所述浮力驱动的对流的粘滞阻力。所述隔开的阻隔壁以所述干端单元和所述湿端单元之间的距离的大约一半延伸。所述隔开的阻隔壁取向成与来自燃料电池的反应物和水的流动方向基本上平行，从而使在所述燃料电池堆的操作期间对所述燃料电池和所述排放孔之间的体积流量和/或流动阻力的影响最小化。
本发明还提供如下方案：
1、一种用于使燃料电池堆的歧管内部的浮力驱动的对流最少化的装置，所述燃料电池堆具有以堆设置的多个燃料电池，所述装置包括：
多个隔开的阻隔壁，所述多个隔开的阻隔壁设置在所述燃料电池堆的所述歧管内部，所述隔开的阻隔壁与所述燃料电池直接流体连通，并具有足以增大对所述浮力驱动的对流的粘滞阻力的表面积。
2、如方案1所述的装置，其特征在于，所述装置还包括固定体，所述固定体具有从其悬垂的所述多个隔开的阻隔壁。
3、如方案2所述的装置，其特征在于，所述装置还包括柄，所述柄连接到所述固定体，以将所述隔开的阻隔壁插在所述歧管内部。
4、如方案1所述的装置，其特征在于，所述隔开的阻隔壁中的每个具有不同的长度。
5、一种燃料电池堆，其包括：
以堆设置的多个燃料电池；
歧管，用于将流体传送到所述燃料电池和将流体从所述燃料电池排出中之一；以及
用于使所述歧管内部的浮力驱动的对流最少化的装置，所述装置包括设置在所述燃料电池堆的所述歧管内部的多个隔开的阻隔壁，所述隔开的阻隔壁与所述燃料电池直接流体连通，并具有足以增大对所述浮力驱动的对流的粘滞阻力的表面积。
6、如方案5所述的燃料电池堆，其特征在于，所述燃料电池堆包括干端单元和湿端单元，所述装置相邻于所述干端单元设置。
7、如方案6所述的燃料电池堆，其特征在于，所述隔开的阻隔壁从所述干端单元悬垂。
8、如方案6所述的燃料电池堆，其特征在于，所述干端单元具有形成在其中的第一孔，所述孔与所述歧管连通。
9、如方案8所述的燃料电池堆，其特征在于，所述装置包括密封地设置在所述第一孔中的固定体，所述多个隔开的阻隔壁从所述固定体悬垂。
10、如方案9所述的燃料电池堆，其特征在于，所述装置包括柄，所述柄连接到所述固定体，以将所述隔开的阻隔壁插在所述歧管内部。
11、如方案6所述的燃料电池堆，其特征在于，所述湿端包括形成在其中的第二孔，所述第二孔与所述歧管连通。
12、如方案11所述的燃料电池堆，其特征在于，所述隔开的阻隔壁在所述干端单元和所述湿端单元之间以比所述歧管的长度小的距离延伸。
13、如方案12所述的燃料电池堆，其特征在于，所述隔开的阻隔壁以等于所述干端单元和所述湿端单元之间的距离的大约一半的距离延伸。
14、如方案5所述的燃料电池堆，其特征在于，所述隔开的阻隔壁中的每个由多个阻隔壁节段形成，所述多个阻隔壁节段与所述多个燃料电池的至少一部分为一体，当所述燃料电池以所述堆设置时，所述阻隔壁节段形成所述阻隔壁。
15、如方案14所述的燃料电池堆，其特征在于，所述阻隔壁节段具有偏移的格状结构。
16、如方案5所述的燃料电池堆，其特征在于，所述歧管具有内侧表面和外侧表面，并且其中，在所述隔开的阻隔壁与所述歧管的所述内侧表面和所述外侧表面中的每个之间形成间隙。
17、如方案16所述的燃料电池堆，其特征在于，所述隔开的阻隔壁各自具有倾斜的下部，所述隔开的阻隔壁中的每个沿从所述歧管的所述内侧表面向所述外侧表面的方向在长度上增加。
18、如方案17所述的燃料电池堆，其特征在于，与所述歧管的横向中心相邻并位于所述内侧表面和所述外侧表面之间的所述隔开的阻隔壁中的至少一个具有比其余部分的所述隔开的阻隔壁大的长度。
19、如方案5所述的燃料电池堆，其特征在于，所述隔开的阻隔壁取向成与到所述燃料电池和来自所述燃料电池的流体流中之一的方向基本上平行，从而使在所述燃料电池堆的操作期间对所述燃料电池和所述歧管之间的体积流量的影响最小化。
20、一种燃料电池堆，其包括：
多个燃料电池，所述多个燃料电池在干端单元和湿端单元之间以堆设置；
歧管，用于将反应物和水从所述燃料电池排出，所述湿端包括形成在其中的排放孔，所述排放孔与所述歧管连通；以及
用于使所述歧管内部的浮力驱动的对流最少化的装置，所述装置包括设置在所述燃料电池堆的所述歧管内部的多个隔开的阻隔壁，隔开的阻隔壁与所述燃料电池直接流体连通，并具有足以增大对所述浮力驱动的对流的粘滞阻力的表面积，所述隔开的阻隔壁以所述干端单元和所述湿端单元之间的距离的大约一半延伸，并且所述隔开的阻隔壁取向成与来自燃料电池的反应物和水的流动方向基本上平行地，从而使在所述燃料电池堆的操作期间对所述燃料电池和所述排放孔之间的体积流量的影响最少化。
附图说明
根据以下详细描述，特别是在结合这里描述的附图考虑时，本发明的以上及其它优点对于本领域技术人员来说将变得更加明显。
图1是现有技术的燃料电池堆的一端的示意性剖面侧正视图，示出了燃料电池堆的集管内的浮力驱动的对流；
图2是根据本发明一个实施例的燃料电池堆的一端的示意性剖面侧正视图，示出了设置在燃料电池堆的集管中的装置，以使集管内的浮力驱动的对流最少化；
图3是在没有干端单元的情况下示出的图2的燃料电池堆的部分剖面的局部俯视图；
图4A是根据本发明的另一实施例的燃料电池堆的示意性剖面侧正视图，示出了设置在燃料电池堆的集管中的具有锥形端部的装置，以使集管内的浮力驱动的对流最少化；
图4B是在图4A中示出的具有锥形端部的装置的局部侧正视图；
图5A是根据本发明的其它实施例的燃料电池堆的示意性剖面侧正视图，示出了设置在燃料电池堆的集管中的具有双锥形端部的装置，以使集管内的浮力驱动的对流最少化；
图5B是在图5A中示出的具有双锥形端部的装置的局部侧正视图；
图6是根据本发明的替代实施例的燃料电池堆的示意性剖面侧正视图，示出了设置在燃料电池堆的集管中的装置，以使集管内的浮力驱动的对流最少化；以及
图7是在没有干端单元的情况下示出的图6的燃料电池堆的部分局部俯视图。
具体实施方式
下面的详细描述和附图描述并举例说明本发明的各个实施例。描述和附图用于能够使本领域技术人员实施并使用本发明，并不旨在以任何方式限制本发明的范围。
出于清楚的目的，在图2-7中示出的与图1相关或类似的结构具有与在图1中示出的相同附图标记，但是根据示出的实施例，是以100系列、200系列、300系列或400系列示出的。
现在参照图2-3，示出了根据本发明一个实施例的具有设置在干端单元106和湿端单元108之间的多个燃料电池104的燃料电池堆102。例如，每个燃料电池104可以包括设置在多孔DM和诸如双极板的一对燃料电池板之间的MEA。干端单元106通常设置在燃料电池堆102的顶部或“干端”处。例如，燃料电池堆102可以基本上垂直取向。湿端单元108设置在燃料电池堆2的底部或“湿端”处。每个燃料电池104具有形成在其集管中的进口孔，以将诸如氢或空气的气态反应物传送到燃料电池104。每个燃料电池104还具有形成在其集管中的出口孔，以将气态反应物和诸如水的反应产物从燃料电池104排出。进口孔协作以形成燃料电池堆102的进口歧管110。出口孔协作以形成燃料电池堆102的出口歧管112。
燃料电池堆102包括用于使燃料电池堆102的歧管112内部的浮力驱动的对流最少化的装置116。装置116设置在燃料电池堆102的至少一个歧管110、112中。虽然将装置116示为在歧管112的内部，但是应当明白，根据需要，装置116可以替代地或额外地设置在歧管110的内部。
装置116包括多个隔开的阻隔壁118。隔开的阻隔壁118可以在歧管112中基本上垂直地取向，尤其当燃料电池堆102垂直取向时。隔开的阻隔壁118被构造为提高对在停工操作之后在燃料电池堆102中将通常出现的浮力驱动的对流的粘滞阻力。应当理解，阻隔壁118增大了歧管112中的流体诸如反应物的必须流经的表面积，由此使得流体的粘滞阻力增大。可以选择阻隔壁118的间隔、纹理、尺寸、取向和数量，以提供等于或大于所估计的对流的浮力的粘滞阻力，从而使在停工操作之后燃料电池堆102的歧管112中的浮力驱动的对流最少化或消除。
在图2-3中示出的具体实施例中，装置116包括固定体120。多个隔开的阻隔壁118从固定体120悬垂。装置116还可以包括柄122。柄122连接到固定体120，并可以用于将隔开的阻隔壁118插在歧管112的内部。
示例性地，装置116可以放置为与燃料电池堆102的干端相邻，与在燃料电池堆102的湿端处相比，在干端处累积水的泄放的可能性要小。在燃料电池堆102包括干端单元106和湿端单元108的情况下，干端单元106可以具有形成在其中的第一孔124，湿端单元108可以具有形成在其中的第二孔126。在歧管112是排放歧管的情况下，第二孔126可以是用于将过多的反应物和诸如水的副产物从燃料电池堆102排出的排放孔。
装置116可以密封地设置在第一孔124中。例如，固定体120可以卡扣适配到干端单元106中，由此密封第一孔124。在另一示例中，固定体120可以螺栓连接至干端单元106。在本发明的范围内，也可以使用用于将固定体120附于干端单元106的其它适当的手段。
在操作中，固定体120防止隔开的阻隔壁118在歧管112内部的横向移动，该横向移动会导致阻隔壁118中的至少一个和燃料电池104之间的不期望的接触。可选地，装置116可以与干端单元106整体地形成，并且隔开的阻隔壁118可以从干端单元106悬垂。隔开的阻隔壁118是足够刚硬的，以防止横向移动。本领域技术人员应当明白，根据需要，也可以采用用于将装置116插到中歧管112并防止隔开的阻隔壁118的横向移动的其它手段。
参照图2，燃料电池堆102的歧管112可以具有内侧表面128和外侧表面130。内侧表面128可以具有在燃料电池104和歧管112之间提供流体连通的多个流体端口或反应物通道（未示出）。装置116的设置在歧管112内的隔开的阻隔壁118不接触内侧表面128和外侧表面130。在隔开的阻隔壁118与歧管112的内侧表面128和外侧表面130中的每个之间存在间隙132。除了选择阻隔壁118的刚度之外，间隙132可以选择成防止在操作中阻隔壁118的横向移动。
虽然装置116的阻隔壁118可以基本上沿歧管112的整个长度延伸，但是应当理解，阻隔壁118可以有利地仅沿歧管112的整个长度的与燃料电池堆102的干端相邻的一部分延伸。在阻隔壁118不沿歧管的整个长度延伸而是至少相邻于燃料电池堆的干端设置的情况下，可以实现浮力驱动的对流的最少化和燃料电池堆102的热质量的减小。例如，隔开的阻隔壁118可以以比干端单元106和湿端单元108之间的距离小的距离延伸到歧管112中。在具体的实施例中，隔开的阻隔壁118延伸的距离等于干端单元106和湿端单元108之间的距离的大约一半。根据需要，可以采用用于隔开的阻隔壁118的其它长度。
在图4A和图4B示出的另一实施例中，装置216的每个隔开的阻隔壁218可以具有锥形的或倾斜的下部233。例如，每个隔开的阻隔壁218可以沿从燃料电池堆202的歧管212的内侧表面228到外侧表面230的方向在长度上增加。积聚在隔开的阻隔壁218上的水可以从隔开的阻隔壁218滴下，并且在这种情况下将远离内侧表面228朝外侧表面230引导。最终，积聚的水在形成在湿端单元208中的第二孔226处从燃料电池堆204排出。因此，应当理解的是，隔开的阻隔壁218远离燃料电池204的内侧表面228的倾斜将在设置在内侧表面228处的流体端口处防止不期望的水的积聚，并且防止在冰冻的环境条件下结冰。
在图5A和图5B中示出的其它实施例中，隔开的阻隔壁318中的至少一个可以具有比其余部分的隔开的阻隔壁318大的长度。隔开的阻隔壁318也可以具有倾斜的下部333，从而使阻隔壁318在歧管312的横向中心处终止。例如，装置316的下端可以具有双锥形形状。最长的隔开的阻隔壁318可以相邻于歧管312的横向中心设置。例如，最长的隔开的阻隔壁318也可以在内侧表面328和外侧表面330之间的大约中间终止。积聚在隔开的阻隔壁318上的水可以壁到壁地滴下，并且在这种情况下将远离内侧表面328和外侧表面330两者朝歧管312的横向中心引导。最终，积聚的水在形成在湿端单元308中的第二孔326处从燃料电池堆304排出。因此，应当理解的是，设置在歧管312的横向中心的最长的隔开的阻隔壁318将在设置在内侧表面228处的流体端口处防止不期望的水的积聚，并且防止在冰冻的环境条件下结冰。
在图6和图7中示出的替代实施例中，每个隔开的阻隔壁418由多个阻隔壁节段434形成。阻隔壁节段434与多个燃料电池404的至少一部分为一体。例如，阻隔壁节段434可以由每个燃料电池404的燃料电池板和子衬垫中的至少一个形成。示例性地，阻隔壁节段434可以是跨在每个燃料电池404的燃料电池板和子衬垫中的至少一个中形成的孔设置的材料带。根据需要，带可以与燃料电池404为一体，或者是单独粘结的材料。带从歧管412的内侧面428向歧管的外侧面430跨孔延伸。当组装燃料电池堆402时，带是对准的，并形成偏移的格状结构。具体地说，当燃料电池404的具有阻隔壁节段434的部分设置在堆中时，阻隔壁节段434形成阻隔壁418。
再参照图3和图7，本领域普通技术人员应当理解，本发明的隔开的阻隔壁118、218、318、418可以被取向成使在燃料电池堆102、202、302、402的操作期间对体积流量的影响最小化。具体地，隔开的阻隔壁118、218、318、418可以取向成与在进口歧管的情况下到燃料电池104、204、304、404的流体流方向或者在出口歧管的情况下来自燃料电池的流体流方向基本上平行，从而使在操作期间对燃料电池104、204、304、404和歧管112、212、312、412之间体积流量的影响最小化。根据需要，可以使用用于在操作期间平衡体积流量同时在停工之后使浮力驱动的相关流量最小化的隔开的阻隔壁118、218、318、418的其它适当取向。
有利地，本发明的具有隔开的阻隔壁118、218、318、418的装置116、216、316、416防止了已知的由于后操作燃料电池堆102、202、302、402的温度轮廓导致的在燃料电池堆102、202、302、402的停工操作之后歧管112、212、312、412中的浮力驱动的对流。因此，装置116、216、316、416使通常由浮力驱动的对流传送的水在燃料电池堆102、202、302、402的干端处的积聚最少化。通过使水积聚最少化，还减小了在冰冻的环境条件下在燃料电池堆102、202、302、402的停工期间由于结冰而导致反应物通道阻塞的风险。同样，使在燃料电池堆的起动期间与流体端口或反应物通道被冰或积聚的水阻塞有关的后续问题最少化。
虽然为了例示本发明的目的已经示出某些典型实施例和细节，但对于本领域技术人员将显而易见的是，在不脱离在下面的所附权利要求进一步描述的本发明的范围的情况下可以做出各种改变。

Claims (10)

1.一种用于使燃料电池堆的歧管内部的浮力驱动的对流最少化的装置，所述燃料电池堆具有以堆设置的多个燃料电池，所述装置包括：
多个隔开的阻隔壁，所述多个隔开的阻隔壁设置在所述燃料电池堆的所述歧管内部，所述隔开的阻隔壁与所述燃料电池直接流体连通，并具有足以增大对所述浮力驱动的对流的粘滞阻力的表面积。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置还包括固定体，所述固定体具有从其悬垂的所述多个隔开的阻隔壁。
3.如权利要求2所述的装置，其特征在于，所述装置还包括柄，所述柄连接到所述固定体，以将所述隔开的阻隔壁插在所述歧管内部。
4.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述隔开的阻隔壁中的每个具有不同的长度。
5.一种燃料电池堆，其包括：
以堆设置的多个燃料电池；
歧管，用于将流体传送到所述燃料电池和将流体从所述燃料电池排出中之一；以及
用于使所述歧管内部的浮力驱动的对流最少化的装置，所述装置包括设置在所述燃料电池堆的所述歧管内部的多个隔开的阻隔壁，所述隔开的阻隔壁与所述燃料电池直接流体连通，并具有足以增大对所述浮力驱动的对流的粘滞阻力的表面积。
6.如权利要求5所述的燃料电池堆，其特征在于，所述燃料电池堆包括干端单元和湿端单元，所述装置相邻于所述干端单元设置。
7.如权利要求6所述的燃料电池堆，其特征在于，所述隔开的阻隔壁从所述干端单元悬垂。
8.如权利要求6所述的燃料电池堆，其特征在于，所述干端单元具有形成在其中的第一孔，所述孔与所述歧管连通。
9.如权利要求8所述的燃料电池堆，其特征在于，所述装置包括密封地设置在所述第一孔中的固定体，所述多个隔开的阻隔壁从所述固定体悬垂。
10.一种燃料电池堆，其包括：
多个燃料电池，所述多个燃料电池在干端单元和湿端单元之间以堆设置；
歧管，用于将反应物和水从所述燃料电池排出，所述湿端包括形成在其中的排放孔，所述排放孔与所述歧管连通；以及
用于使所述歧管内部的浮力驱动的对流最少化的装置，所述装置包括设置在所述燃料电池堆的所述歧管内部的多个隔开的阻隔壁，隔开的阻隔壁与所述燃料电池直接流体连通，并具有足以增大对所述浮力驱动的对流的粘滞阻力的表面积，所述隔开的阻隔壁以所述干端单元和所述湿端单元之间的距离的大约一半延伸，并且所述隔开的阻隔壁取向成与来自燃料电池的反应物和水的流动方向基本上平行地，从而使在所述燃料电池堆的操作期间对所述燃料电池和所述排放孔之间的体积流量的影响最少化。
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