CN102810684B - 具有流体流量分配特征的燃料电池系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及具有流体流量分配特征的燃料电池系统。燃料电池系统包括水汽传递单元和流体流量分配特征，所述水汽传递单元包括第一板和第二板，所述第一板具有用于在其中接收一定流量的第一流体的多个第一流动通道，并且所述第二板具有用于在其中接收一定流量的第二流体的多个第二流动通道。所述流体流量分配特征构造成控制通过所述第一流动通道的所述第一流体的体积流量和通过所述第二流动通道的所述第二流体的体积流量中的至少一个，其中，所述在所述第一板上对所述第一流体的流量分配和在所述第二板上对所述第二流体的流量分配中的至少一个是有变化的。

Description

具有流体流量分配特征的燃料电池系统
技术领域
本发明涉及燃料电池系统，且更具体地涉及包括流体流量分配特征的燃料电池系统。
背景技术
当前，燃料电池系统被提出用作各种商业和非商业应用的功率源。具体地，燃料电池系统被日益增加地用作机动车辆中的内燃发动机的替代品。这种系统在共有的美国专利No. 7,459,227中被公开，该文献以引用的方式全文结合到本文。典型地，燃料电池系统产生电力，该电力于是被用于向蓄电池充电或者向电动马达提供功率。燃料电池系统还能够被用作建筑物和住所中的固定电站，以及用作摄像机、计算机等的便携式电源。
燃料电池系统通常包括被捆扎在一起并且以电气串联的方式设置成堆的多个燃料电池。由于燃料电池被组装成不同尺寸的堆，因此燃料电池系统能够被设计成产生期望能量输出水平，从而提供对于不同应用而言的设计灵活性。燃料电池是直接结合气态反应物（例如，燃料（例如，氢）和氧化剂（例如，氧气））以产生电力的电化学装置。氧气通常由空气流来供应。气态反应物结合从而导致形成水。例如，还能够使用其他燃料，例如天然气、甲醇、汽油、以及煤衍生合成燃料。燃料电池系统所利用的基本过程是有效的、大致无污染的、安静的、不存在可动部件的（除了空气压缩机、冷却风扇、泵和致动器外），并且能够构造成仅留有热量和水作为副产物。
能够提供不同的燃料电池类型，例如，磷酸、碱、熔融碳酸盐、固态氧化物和质子交换膜（PEM）。PEM型燃料电池的基本部件是由聚合物电解质膜分隔开的两个电极。每个电极在一侧上涂覆有薄催化剂层。电极、催化剂和膜一起形成膜电极组件（MEA）。
在典型PEM型燃料电池中，MEA被夹设在阳极和阴极扩散介质（下文称为“DM”）或扩散层之间，这些扩散介质或扩散层由例如碳纤维或碳纸之类的弹性、导电且气体可渗透的材料形成。DM用作阳极和阴极的主电流收集器，以及向MEA提供机械支承。另选地，DM能够包含催化剂层并且与膜接触。DM和MEA被压制在一对导电板之间，该对导电板用作收集来自主电流收集器的电流的次级电流收集器。这些板在双极板的情况下在该堆内部的相邻电池之间传导电流，并且在该堆的末端处的单极板的情况下将电流传导到该堆外。
次级电流收集器板每个均包含至少一个活性区域，该活性区域将气态反应物分配到阳极和阴极的主表面上。这些活性区域（也公知为流场）通常包括多个凸台，这些凸台接合主电流收集器并且在其间限定多个沟槽或流动通道。这些通道将燃料和氧化剂供应给在PEM任一侧上的电极。具体地，燃料流经通道到达阳极，在该阳极处，催化剂促进其分离成质子和电子。在PEM的相对侧上，氧化剂流经通道到达阴极，在该阴极处，氧化剂吸引通过PEM的质子。电子被捕获从而作为通过外部电路的有用能量，并且在阴极侧与质子和氧化剂结合以产生水汽。
为了在期望效率范围内进行实施，期望的是将膜保持在湿化状况下。因此，有必要提供一种将燃料电池膜保持在湿化状况下的机构。湿化状况有助于避免膜寿命缩短并且有助于保持期望操作效率。例如，膜的低水含量导致更高的质子传导阻抗，因此导致更高的欧姆电压损耗。原料气的湿化（尤其在阴极入口处）是期望的，以便保持膜中的足够水含量。燃料电池的湿化在共有的美国专利No. 7,036,466、共有的美国专利申请公布No. 2006/0029837以及共有的美国专利No. 7,572,531中被讨论，这些文献都以引用的方式全文结合到本文。
为了保持期望水分含量，常常使用空气湿化器来湿化用于燃料电池中的空气供应流。空气湿化器通常包括圆形或盒形空气湿化模块，该空气湿化模块被安装到空气湿化器的壳体内。这类空气湿化器的示例在美国专利No. 7,156,379以及美国专利No. 6,471,195中被示出并描述，这些文献都以引用的方式全文结合到本文。
膜湿化器（例如，水汽传递（WVT）单元）已经被用于实现燃料电池的湿化要求。对于汽车燃料电池湿化应用而言，这种膜湿化器需要是紧凑的，具有低压降，并且具有高性能特征。典型的WVT单元包括湿板，该湿板包括在其中形成的与扩散介质相邻的多个流动通道。湿板的流动通道适于将潮湿流体从燃料电池的阴极传送到排出口。典型的WVT单元还包括干板，该干板包括在其中形成的与扩散介质相邻的多个流动通道。干板的流动通道适于将干燥流体从气源传送到燃料电池的阴极。类似的WVT单元能够用于燃料电池的阳极侧，或根据需要以其他方式被使用。
一类WVT单元是交叉流动WVT单元，其中湿板中的潮湿流体的流动方向与干板中的干燥流体的流动方向垂直。因此，湿板的流动通道被形成为与干板的流动通道垂直。湿板和干板的流动通道典型地以期望间隔均匀地间隔开。这些板的流动通道的均匀间距导致了在干板的出口上的不均匀的相对湿度分布。在干板的与湿板的流动通道的入口相邻的流动通道的出口处，相对湿度水平通常最高。相反，在干板的与湿板的流动通道的出口相邻的流动通道的出口处，相对湿度水平通常最低。
特别是在燃料电池系统的空闲状况下，当水汽传递效率最大化并且燃料电池系统的操作温度最小化时，干板的流动通道中的相对湿度能够达到100%。这可能导致在干板的与湿板的流动通道的入口相邻的流动通道的出口处形成液态水，并且该液态水可能进入燃料电池堆。燃料电池堆中的液态水降低了耐用性，并且可能导致燃料电池系统的不稳定性能。典型地，采用液态水分离器来防止液态水进入燃料电池堆中，但这增加了燃料电池系统的成本和复杂性。然而，液态水分离器的效果可能小于优化的效果，从而允许一部分液态水进入到燃料电池堆中。
期望的是得到一种包括流体流量分配特征的燃料电池系统，该流体流量分配特征使得在WVT单元的干燥流动通道的出口上的相对湿度中的变化最小，以及使得燃料电池系统的成本和复杂性最小。
发明内容
根据本发明并且与本发明相一致，提供了一种包括流体流量分配特征的燃料电池系统，该流体流量分配特征使得在跨WVT单元的干板的这些流动通道的出口方向上的相对湿度分布中的变化最小，以及使得燃料电池系统的成本和复杂性最小。
在一个实施方式中，燃料电池系统包括：水汽传递单元，所述水汽传递单元包括第一板和第二板，所述第一板具有用于在其中接收一定流量的第一流体的多个第一流动通道，并且所述第二板具有用于在其中接收一定流量的第二流体的多个第二流动通道；以及流体流量分配特征，所述流体流量分配特征构造成控制通过所述第一流动通道的所述第一流体的流量和通过所述第二流动通道的所述第二流体的流量中的至少一个，其中，在所述第一板上对所述第一流体的流量分配和在所述第二板上对所述第二流体的流量分配中的至少一个是有变化的。
在另一实施方式中，该燃料电池系统包括：水汽传递单元，所述水汽传递单元包括第一板和第二板，所述第一板具有用于在其中接收一定流量的第一流体的多个第一流动通道，并且所述第二板具有用于在其中接收一定流量的第二流体的多个第二流动通道，其中，所述板的所述流动通道中的每个均包括入口和出口；以及流体流量分配特征，所述流体流量分配特征包括第一流动通道和第二流动通道，其中，与所述第二流动通道的入口相邻的所述第一流动通道的容积大于与所述第二流动通道的出口相邻的所述第一流动通道的容积，并且与所述第一流动通道的入口相邻的所述第二流动通道的容积大于与所述第一流动通道的出口相邻的所述第二流动通道的容积。
在另一实施方式中，该燃料电池系统包括：水汽传递单元，所述水汽传递单元包括第一板和第二板，所述第一板具有用于在其中接收一定流量的第一流体的多个第一流动通道，并且所述第二板具有用于在其中接收一定流量的第二流体的多个第二流动通道，其中，所述第一流动通道与所述第二流动通道大致垂直；以及第一流体流量分配特征，所述第一流体流量分配特征被设置在所述水汽传递单元上游的所述燃料电池系统的充气空气冷却器中，以控制通过所述第一流动通道的所述第一流体的体积流量，其中，与通过和所述第二流动通道的出口相邻的所述第一流动通道相比，所述第一流体流量分配特征将更大体积流量的第一流体引导通过与所述第二流动通道的入口相邻的所述第一流动通道。
本发明还包括以下方案：
1. 一种燃料电池系统，包括：
水汽传递单元，所述水汽传递单元包括第一板和第二板，所述第一板具有用于在其中接收一定流量的第一流体的多个第一流动通道，并且所述第二板具有用于在其中接收一定流量的第二流体的多个第二流动通道；以及
流体流量分配特征，所述流体流量分配特征构造成控制通过所述第一流动通道的所述第一流体的流量和通过所述第二流动通道的所述第二流体的流量中的至少一个，其中，在所述第一板上对所述第一流体的流量分配和在所述第二板上对所述第二流体的流量分配中的至少一个是有变化的。
2. 根据方案1所述的燃料电池系统，其中，所述第一流体是干燥流体，所述第二流体是潮湿流体。
3. 根据方案1所述的燃料电池系统，其中，所述第一流动通道与所述第二流动通道大致垂直。
4. 根据方案1所述的燃料电池系统，其中，所述流体流量分配特征包括所述第一流动通道中比相邻的第一流动通道具有更大容积的一个第一流动通道。
5. 根据方案1所述的燃料电池系统，其中，所述流体流量分配特征包括所述第二流动通道中比相邻的第二流动通道具有更大容积的一个第二流动通道。
6. 根据方案1所述的燃料电池系统，其中，所述流体流量分配特征包括第一组所述第一流动通道和第二组所述第一流动通道，所述第一组所述第一流动通道比所述第二组所述第一流动通道具有更大的容积。
7. 根据方案1所述的燃料电池系统，其中，所述流体流量分配特征包括第一组所述第二流动通道和第二组所述第二流动通道，所述第一组所述第二流动通道比所述第二组所述第二流动通道具有更大的容积。
8. 根据方案1所述的燃料电池系统，其中，所述流体流量分配特征设置在所述水汽传递单元上游处的所述第一流体的供应流体流中，以控制在所述第一板上的所述第一流体的流量分配。
9. 根据方案1所述的燃料电池系统，其中，所述流体流量分配特征设置在所述水汽传递单元上游处的所述第二流体的供应流体流中，以控制在所述第二板上的所述第二流体的流量分配。
10. 一种燃料电池系统，包括：
水汽传递单元，所述水汽传递单元包括第一板和第二板，所述第一板具有用于在其中接收一定流量的第一流体的多个第一流动通道，并且所述第二板具有用于在其中接收一定流量的第二流体的多个第二流动通道，其中，所述板的所述流动通道中的每一个均包括入口和出口；以及
流体流量分配特征，所述流体流量分配特征包括第一流动通道和第二流动通道，其中，与所述第二流动通道的入口相邻的所述第一流动通道的容积大于与所述第二流动通道的出口相邻的所述第一流动通道的容积，并且与所述第一流动通道的入口相邻的所述第二流动通道的容积大于与所述第一流动通道的出口相邻的所述第二流动通道的容积。
11. 根据方案10所述的燃料电池系统，其中，所述第一流体是干燥流体，所述第二流体是潮湿流体。
12. 根据方案10所述的燃料电池系统，其中，所述第一流动通道与所述第二流动通道大致垂直。
13. 根据方案10所述的燃料电池系统，其中，所述第一流动通道中的每一个的容积大于每个相邻的第一流动通道的容积。
14. 根据方案10所述的燃料电池系统，其中，所述第二流动通道中的每一个的容积大于每个相邻的第二流动通道的容积。
15. 根据方案10所述的燃料电池系统，其中，第一组所述第一流动通道中的每一个的容积大于第二组所述第一流动通道中的每一个的容积，并且其中，所述第一组所述第一流动通道与所述第二流动通道的入口相邻，并且所述第二组所述第一流动通道与所述第二流动通道的出口相邻。
16. 根据方案15所述的燃料电池系统，其中，在所述第一组所述第一流动通道和所述第二组所述第一流动通道之间形成第三组所述第一流动通道，并且其中，所述第三组所述第一流动通道中的每一个的容积小于所述第一组所述第一流动通道中的每一个的容积，但大于所述第二组所述第一流动通道中的每一个的容积。
17. 根据方案10所述的燃料电池系统，其中，第一组所述第二流动通道中的每一个的容积大于第二组所述第二流动通道中的每一个的容积，并且其中，所述第一组所述第二流动通道与所述第一流动通道的入口相邻，所述第二组所述第二流动通道与所述第一流动通道的出口相邻。
18. 根据方案17所述的燃料电池系统，其中，在所述第一组所述第二流动通道和所述第二组所述第二流动通道之间形成第三组所述第二流动通道，并且其中，所述第三组所述第二流动通道中的每一个的容积小于所述第一组所述第二流动通道中的每一个的容积，但大于所述第二组所述第二流动通道中的每一个的容积。
19. 一种燃料电池系统，包括：
水汽传递单元，所述水汽传递单元包括第一板和第二板，所述第一板具有用于在其中接收一定流量的第一流体的多个第一流动通道，并且所述第二板具有用于在其中接收一定流量的第二流体的多个第二流动通道，其中，所述第一流动通道与所述第二流动通道大致垂直；以及
第一流体流量分配特征，所述第一流体流量分配特征被设置在所述水汽传递单元上游的所述燃料电池系统的充气空气冷却器中，以控制通过所述第一流动通道的所述第一流体的体积流量，其中，与通过和所述第二流动通道的出口相邻的所述第一流动通道相比，所述第一流体流量分配特征将更大体积流量的第一流体引导通过与所述第二流动通道的入口相邻的所述第一流动通道。
20. 根据方案19所述的燃料电池系统，还包括第二流体流量分配特征，所述第二流体流量分配特征设置在所述水汽传递单元上游，以控制通过所述第二流动通道的所述第二流体的体积流量，其中，与通过和所述第一流动通道的出口相邻的所述第二流动通道相比，所述第二流体流量分配特征将更大体积流量的所述第二流体引导通过与所述第一流动通道的入口相邻的所述第二流动通道。
附图说明
通过对结合附图考虑的优选实施方式的下述详细说明，本发明的上述优势以及其他优势对于本领域技术人员将显而易见，在附图中：
图1是根据本发明实施方式的采用了水汽传递单元的燃料电池系统的示意性框图；
图2是图1所示的水汽传递单元的示意性侧视透视图；
图3是图2所示的水汽传递单元的一部分的分解侧视透视图；
图4是图2所示的水汽传递单元的一部分沿剖线4-4截取的放大的局部截面侧视图；
图5是图2所示的水汽传递单元的一部分沿剖线5-5截取的放大的局部截面侧视图；
图6是根据本发明实施方式的包括流体流量分配特征的水汽传递单元的示意图；
图7是根据本发明另一实施方式的包括流体流量分配特征的水汽传递单元的示意图；
图8是根据本发明另一实施方式的包括流体流量分配特征的水汽传递单元的示意图；
图9是根据本发明另一实施方式的包括流体流量分配特征的水汽传递单元的示意图；
图10是根据本发明另一实施方式的包括流体流量分配特征的水汽传递单元的示意图；
图11是根据本发明另一实施方式的包括流体流量分配特征的水汽传递单元的示意图；
图12是根据本发明另一实施方式的包括流体流量分配特征的水汽传递单元的示意图；
图13是根据本发明另一实施方式的包括流体流量分配特征的水汽传递单元的示意图；以及
图14是根据本发明另一实施方式的包括流体流量分配特征的燃料电池系统的示意性框图。
具体实施方式
下述详细说明和附图描述并示出了本发明的各个示例性实施方式。该说明和附图用于使得本领域技术人员能够实施和使用本发明，而绝不旨在以任何方式限制本发明的范围。
图1示意性地示出了根据本发明实施方式的燃料电池系统10。燃料电池系统10包括燃料电池堆12，所述燃料电池堆具有阴极侧和阳极侧。取决于燃料电池堆12的负荷需求，阴极供应流体流通过导管15从流体源13被供应到压缩机14。在压缩机14内，阴极供应流体流被压缩。如所示的那样，压缩机14通过导管20流体连接到充气空气冷却器（CAC）18。CAC 18冷却已经由于压缩机14的压缩而被加热的阴极供应流体流。要理解的是，CAC 18根据需要能够是任何类型的CAC。CAC 18通过导管24流体连接到水汽传递（WVT）单元22。
WVT单元22也被流体连接到燃料电池堆12。所示的WVT单元22被流体连接到燃料电池系统10的阴极侧。然而，要理解的是，WVT单元22能够流体连接到燃料电池系统10的阳极侧，或根据需要以其他方式流体连接。阴极供应流体流通过阴极供应导管26从WVT单元22供应到燃料电池堆12。阴极排出流体流通过阴极排出导管28从燃料电池堆12提供到WVT单元22。阴极排出流体流中的水和/或水汽将WVT单元22内的阴极供应流体流润湿到期望湿度水平。
燃料电池系统10可以包括进行操作所必需的其他部件，例如，用于测量离开CAC 18的阴极供应流体流的温度的温度传感器（未示出）、用于测量被供应到燃料电池堆12的阴极供应流体流的相对湿度的相对湿度传感器（未示出）、以及燃料电池堆冷却系统30。在所示的实施方式中，燃料电池堆冷却系统30包括泵32和散热器34。泵32使冷却流体（例如，制冷剂）流经冷却剂回路36、进入燃料电池堆12中并且经过燃料电池堆12。来自燃料电池堆12的被加热的冷却流体通过与散热器32内的环境空气的热传递来冷却。
图2-5示出了根据本发明实施方式的WVT单元22。WVT单元22包括：用于接收潮湿流体（例如，阴极排出流体流）的湿板40和用于接收干燥流体（例如，阴极供应流体流）的干板42。如本文所使用的，“潮湿流体”是指其中包括的水汽和/或液态水的含量比干燥流体的水汽和/或液态水的含量更高的流体。“干燥流体”是指不含水汽或者其中包括的水汽和/或液态水的含量比潮湿流体的水汽和/或液态水的含量更低的流体。被促使流经湿板40的潮湿流体的压力通常低于被导致流经干板42的干燥流体的压力。如图2所示，潮湿流体的流动方向（如箭头A所示）垂直于干燥流体的流动方向（如箭头B所示），以提供交叉流动构造。然而，能够根据需要采用其他构造，例如共流或逆流构造。
图3-5中所示的每个板40、42都包括大致平面状的第一层50、大致平面状的第二层52、大致平面状的第一密封条54、大致平面状的第二密封条56、以及大致平面状的细长条带阵列58。要理解的是，需要的话，层50、52能够仅用于湿板40或干板42。在所示的实施方式中，层50、52是扩散介质。扩散介质能够由任何常规材料形成，所述常规材料例如是玻璃纤维、玻璃纸、碳纤维、纸，等等。
第一密封条54的至少一部分被设置在第一层50和第二层52之间并且被粘结到第一层50和第二层52的每个的外缘上。第二密封条56的至少一部分被设置在第一层50和第二层52之间并且被粘结到第一层50和第二层52的每个的外缘上。要理解的是，需要的话，密封条54、56能够完全设置在层50、52之间。在所示的实施方式中，密封条54、56的部分与层50、52熔融形成。要理解的是，层50、52能够根据需要借助任何工艺（例如，借助粘结工艺）粘结到密封条54、56。还要理解的是，密封条54、56能够根据需要由任何常规材料（例如，钢、聚合物、塑料、石墨和复合材料）形成。膜60围绕密封条54、56中的至少一个以及层50、52包绕。如所示的那样，膜60在每个板40、42的外围边缘处借助粘结性材料被粘结到层50、52以及密封条56，以使其间的密封属性最大化。
如所示的那样，条带58被设置在第一层50和第二层52之间并且至少部分地粘结到第一层50和第二层52。条带58通常是具有柱状形状和大致圆形截面形状的聚合物股带。要理解的是，条带58根据需要能够由任何材料（例如，钢、聚合物、石墨和复合材料）制成。还要理解的是，条带58根据需要能够具有任何形状和尺寸。条带58与层50、52协作以限定湿板40中的多个流动通道64以及干板42中的多个流动通道66。要理解的是，根据需要能够在WVT单元22中形成任何数量的流动通道64、66。在湿板40中形成的流动通道64将潮湿流体从燃料电池系统10的阴极侧传送到排出口（未示出）。在干板42中形成的流动通道66将干燥流体从流体源13传送到燃料电池系统10的阴极侧。
图6示意性地示出了根据本发明实施方式的包括流体流量分配特征68的WVT单元22。干燥流体通过流动通道66的流动方向C与潮湿流体通过湿板40的流动通道64的流动方向D大致垂直。湿板40的每个流动通道64均具有入口70和出口72，干板42的每个流动通道66均具有入口74和出口76。如图示的那样，湿板40的每个单独的流动通道64形成为具有从入口70至出口72的大致均匀一致的截面通流面积。进一步说，每个流动通道64的宽度WWP与每个相邻流动通道64的宽度WWP大致相同。因此，每个流动通道64的容积以及其中的潮湿流体的体积流量在湿板40上是大致相等且均匀一致的。
如图示的那样，干板42的每个单独流动通道66形成为具有从入口74至出口76的大致均匀一致的截面通流面积。具有不同宽度WDP的流动通道66的组形成了WVT单元22的流体流量分配特征68。流体流量分配特征68控制通过每个流动通道66的干燥流体的体积流量以及干燥流体在干板42上的流量分配。具体地，与湿板40的流动通道64的入口70相邻的第一组流动通道66比与第一组流动通道66相邻的第二组流动通道66具有更大的宽度WDP，使得第一组流动通道66中的每个比第二组流动通道66中的每个能够容纳更多的干燥流体。第二组流动通道66比与湿板40的流动通道64的出口72相邻的第三组流动通道66具有更大的宽度WDP，使得第二组流动通道66中的每个比第三组流动通道66中的每个能够容纳更多的干燥流体。因此，每个流动通道66的容积以及其中的干燥流体的体积流量在跨干板42从湿板40的入口70至湿板40的出口72的方向上减少。需要时，能够采用比所示的情况更多或更少组的流动通道66。在所示的实施方式中，干板42的流动通道66的容积通过改变流动通道66的宽度WDP来修改。然而要理解的是，需要时能够通过改变流动通道66的深度、截面形状或长度来修改流动通道66的容积。
在与湿板40的流动通道64的入口70相邻的第一组流动通道66中，从潮湿流体传递到干燥流体的水和/或水汽的量最大。换句话说，在干板42的具有干燥流体最大体积流量的流动通道66中，发生最大的水和/或水汽传递。结果是，导致了在与湿板40的流动通道64的入口70相邻的流动通道66的出口76处的干燥流体的相对湿度水平降低到期望的相对湿度水平范围内，并且由此防止在干板42的流动通道66中形成液态水。在非限制性示例中，期望的相对湿度水平范围是大约45%至大约85%。相反，在与湿板40的流动通道64的出口72相邻的第三组流动通道66中，从潮湿流体传递到干燥流体的水和/或水汽的量最小。换句话说，在干板42的具有干燥流体最小体积流量的流动通道66中，发生水和/或水汽的最小传递。结果是，导致了在与湿板40的流动通道64的出口72相邻的流动通道66的出口76处的干燥流体的相对湿度水平增加到期望的湿度水平范围内。由于干燥流体的相对湿度水平在与湿板40的流动通道64的入口70相邻的流动通道66的出口76处减小并且在与湿板40的流动通道64的出口72相邻的流动通道66的出口76处增加，因此最小化了在跨干板42的这些流动通道66的出口76的方向上的干燥流体的相对湿度分布中的变化。
图7示意性地示出了根据本发明另一实施方式的包括流体流量分配特征168的WVT单元122。干燥流体通过流动通道166的流动方向C1大致垂直于潮湿流体通过湿板140的流动通道164的流动方向D1。湿板140的每个流动通道164具有入口170和出口172，并且干板142的每个流动通道166具有入口174和出口176。如所图示的那样，湿板140的每个单独的流动通道164形成为具有从入口170至出口172的大致均匀一致的截面通流面积。进一步说，每个流动通道164的宽度WWP1与每个相邻流动通道164的宽度WWP1大致相同。因此，每个流动通道164的容积以及其中的潮湿流体的体积流量在湿板140上是大致相等且均匀一致的。
如所图示的那样，干板142的每个单独的流动通道166形成为具有从入口174至出口176的大致均匀一致的截面通流面积。而且，各自具有不同宽度WDP1的流动通道166形成了WVT单元122的流体流量分配特征168。包括了具有不同宽度WDP1的各流动通道166的流体流量分配特征168使得WVT单元122与在图6中示出并且在上文描述的WVT单元22不同。流体流量分配特征168控制通过每个流动通道166的干燥流体的体积流量以及干燥流体在干板142上的流量分配。具体地，从与湿板140的流动通道164的入口170相邻的流动通道166开始，干板142的每个流动通道166比与其相邻的流动通道166具有更大的宽度WDP1。因此，从与湿板140的流动通道164的入口170相邻的流动通道166开始，每个流动通道166都比相邻的流动通道166能够容纳更多的干燥流体。此外，每个流动通道166的容积以及其中干燥流体的体积流量在跨干板142从湿板140的入口170至湿板的出口172的方向上减少。在所示的实施方式中，干板142的流动通道166的容积通过改变流动通道166的宽度WDP1来修改。然而要理解的是，需要时能够通过改变流动通道166的深度、截面形状或长度来修改流动通道166的容积。
在与湿板140的流动通道164的入口170相邻的流动通道166中，从潮湿流体传递到干燥流体的水和/或水汽的量最大。换句话说，在干板142的具有干燥流体最大体积流量的流动通道166中，发生最大的水和/或水汽传递。结果是，导致了在与湿板140的流动通道164的入口170相邻的流动通道166的出口176处的干燥流体的相对湿度水平降低到期望的相对湿度水平范围内，并且由此防止在干板142的流动通道166中形成液态水。在非限制性示例中，期望的相对湿度水平范围是大约45%至大约85%。相反，在与湿板140的流动通道164的出口172相邻的流动通道166中，从潮湿流体传递到干燥流体的水和/或水汽的量最小。换句话说，在干板142的具有干燥流体最小体积流量的流动通道166中，发生水和/或水汽的最小传递。结果是，导致了在与湿板140的流动通道164的出口172相邻的流动通道166的出口176处的干燥流体的相对湿度水平增加到期望的湿度水平范围内。由于干燥流体的相对湿度水平在与湿板140的流动通道164的入口170相邻的流动通道166的出口176处减小并且在与湿板140的流动通道164的出口172相邻的流动通道166的出口176处增加，因此最小化了在跨干板142的这些流动通道166的出口176的方向上的干燥流体的相对湿度分布中的变化。
图8示意性地示出了根据本发明另一实施方式的包括流体流量分配特征268的WVT单元222。干燥流体通过流动通道266的流动方向C2大致垂直于潮湿流体通过湿板240的流动通道264的流动方向D2。湿板240的每个流动通道264都具有入口270和出口272，并且干板242的每个流动通道266都具有入口274和出口276。
如所图示的那样，湿板240的每个单独的流动通道264形成为具有从入口270至出口272的大致均匀一致的截面通流面积。具有不同宽度WWP2的流动通道264的组形成了WVT单元222的流体流量分配特征268。包括了具有不同宽度WWP2的流动通道264的组的流体流量分配特征268使得WVT单元222与如图6-7所示以及在上文中描述的WVT单元22、122不同。流体流量分配特征268控制通过每个流动通道264的潮湿流体的体积流量以及潮湿流体在湿板240上的流量分配。具体地，与干板242的流动通道266的入口274相邻的第一组流动通道264比与第一组流动通道264相邻的第二组流动通道264具有更大的宽度WWP2，使得第一组流动通道264中的每个比第二组流动通道264中的每个能够容纳更多的潮湿流体。第二组流动通道264比与干板242的流动通道266的出口276相邻的第三组流动通道264具有更大的宽度WWP2，使得第二组流动通道264的每个比第三组流动通道264的每个能够容纳更多的潮湿流体。因此，每个流动通道264的容积以及其中潮湿流体的体积流量在跨湿板240从干板242的入口274至干板242的出口276的方向上减少。需要时能够采用比所示的情况更多或更少组的流动通道264。在所示的实施方式中，湿板240的流动通道264的容积通过改变流动通道264的宽度WWP2来修改。然而要理解的是，需要时能够通过改变流动通道264的深度、截面形状或长度来修改流动通道264的容积。
如所图示的那样，干板242的每个单独流动通道266形成为具有从入口274至出口276的大致均匀一致的截面通流面积。进一步说，每个流动通道266的宽度WDP2与每个相邻流动通道266的宽度WDP2大致相同。因此，每个流动通道266的容积以及其中干燥流体的体积流量在干板242上是大致相等且均匀一致的。
在与湿板240的流动通道264的入口270相邻的干板242的流动通道266的出口276处，干燥流体的相对湿度水平最大。上述的湿板240的流体流量分配特征268减少了与干板242的流动通道266的出口276相邻的湿板240的流动通道264中的潮湿流体的体积流量。结果是，导致了在与湿板240的流动通道264的入口270相邻的流动通道266的出口276处的干燥流体的相对湿度水平降低到期望的相对湿度水平范围内，并且由此防止在干板242的流动通道266中形成液态水。在非限制性示例中，期望的相对湿度水平范围是大约45%至大约85%。因此，最小化了在跨干板242的这些流动通道266的出口276的方向上的干燥流体的相对湿度分布中的变化。
图9示意性地示出了根据本发明另一实施方式的包括流体流量分配特征368的WVT单元322。干燥流体通过流动通道366的流动方向C3大致垂直于潮湿流体通过湿板340的流动通道364的流动方向D3。湿板340的每个流动通道364具有入口370和出口372，并且干板342的每个流动通道366具有入口374和出口376。
如所图示的那样，湿板340的每个单独的流动通道364形成为具有从入口370至出口372的大致均匀一致的截面通流面积。此外，具有不同宽度WWP3的各流动通道364形成WVT单元322的流体流量分配特征368。包括了具有不同宽度WWP3的各流动通道364的流体流量分配特征368使得WVT单元322与如图6-8所示以及在上文中描述的WVT单元22、122、222不同。流体流量分配特征368控制通过每个流动通道364的潮湿流体的体积流量以及潮湿流体在湿板340上的流量分配。具体地，从与干板342的流动通道366的入口374相邻的流动通道364开始，湿板340的每个流动通道364比与其相邻的流动通道364具有更大的宽度WWP3。因此，从与干板342的流动通道366的入口374相邻的流动通道364开始，每个流动通道364比相邻的流动通道364能够容纳更多的潮湿流体。此外，每个流动通道364的容积以及其中的潮湿流体的体积流量在跨湿板340从干板342的入口374至干板342的出口376的方向上减少。在所示的实施方式中，湿板340的流动通道364的容积通过改变流动通道364的宽度WWP3来修改。然而要理解的是，需要时能够通过改变流动通道364的深度、截面形状或长度来修改流动通道364的容积。
如所图示的那样，干板342的每个单独的流动通道366形成为具有从入口374至出口376的大致均匀一致的截面通流面积。进一步说，每个流动通道366的宽度WDP3与每个相邻流动通道366的宽度WDP3大致相同。因此，每个流动通道366的容积以及其中的干燥流体的体积流量在干板342上是大致相等且均匀一致的。
在与湿板340的流动通道364的入口370相邻的干板342的流动通道366的出口376处，干燥流体的相对湿度水平最大。上述的湿板340的流体流量分配特征368减少了与干板342的流动通道366的出口376相邻的湿板340的流动通道364中的潮湿流体的体积流量。结果是，导致了在与湿板340的流动通道364的入口370相邻的流动通道366的出口376处的干燥流体的相对湿度水平降低到期望的相对湿度水平范围内，并且由此防止在干板342的流动通道366中形成液态水。在非限制性示例中，期望的相对湿度水平范围是大约45%至大约85%。因此，最小化了在跨干板342的这些流动通道366的出口376的方向上的干燥流体的相对湿度分布中的变化。
图10示意性地示出了根据本发明另一实施方式的包括流体流量分配特征468的WVT单元422。干燥流体通过流动通道466的流动方向C4大致垂直于潮湿流体通过湿板440的流动通道464的流动方向D4。湿板440的每个流动通道464具有入口470和出口472，并且干板442的每个流动通道466具有入口474和出口476。
如所图示的那样，湿板440的每个单独的流动通道464形成为具有从入口470至出口472的大致均匀一致截面通流面积。具有不同宽度WWP4的流动通道464的组形成了WVT单元422的流体流量分配特征468的一部分。流体流量分配特征468控制通过每个流动通道464的潮湿流体的体积流量以及在湿板440上的潮湿流体的流量分配。具体地，与干板442的流动通道466的入口474相邻的第一组流动通道464比与第一组流动通道464相邻的第二组流动通道464具有更大的宽度WWP4，使得第一组流动通道464中的每个比第二组流动通道464中的每个能够容纳更多的潮湿流体。第二组流动通道464比与干板442的流动通道466的出口476相邻的第三组流动通道464具有更大的宽度WWP4，使得第二组流动通道464中的每个比第三组流动通道464中的每个能够容纳更多的潮湿流体。因此，每个流动通道464的容积以及其中潮湿流体的体积流量在跨湿板440从干板442的入口474至干板442的出口476的方向上减少。需要时，能够采用比所示的情况更多或更少组的流动通道464。在所示的实施方式中，通过改变流动通道464的宽度WWP4来修改湿板440的流动通道464的容积。然而要理解的是，需要时能够通过改变流动通道464的深度、截面形状或长度来修改流动通道464的容积。
干板442的每个单独的流动通道466形成为具有从入口474至出口476的大致均匀一致的截面通流面积。具有不同宽度WDP4的流动通道466的组形成了WVT单元422的流体流量分配特征468的另一部分。包括了具有不同宽度WWP4的流动通道464的组以及具有不同宽度WDP4的流动通道466的组的流体流量分配特征468使得WVT单元422与如图6-9所示并且在上文描述的WVT单元22、122、222、322不同。流体流量分配特征468还控制通过每个流动通道466的干燥流体的体积流量以及在干板442上的干燥流体的流量分配。具体地，与湿板440的流动通道464的入口470相邻的第一组流动通道466比与第一组流动通道466相邻的第二组流动通道466具有更大的宽度，使得第一组流动通道466中的每个比第二组流动通道466中的每个能够容纳更多的干燥流体。第二组流动通道466比与湿板440的流动通道464的出口472相邻的第三组流动通道466具有更大的宽度WDP4，使得第二组流动通道466中的每个比第三组流动通道466中的每个能够容纳更多的干燥流体。因此，每个流动通道466的容积以及其中干燥流体的体积流量在跨干板442从湿板440的入口470到湿板440的出口472的方向上减少。需要时，能够采用比所示的情况更多或更少组的流动通道466。在所示的实施方式中，通过改变流动通道466的宽度WDP4来修改干板442的流动通道466的容积。然而要理解的是，需要时能够通过改变流动通道466的深度、截面形状或长度来修改流动通道466的容积。
在与湿板440的流动通道464的入口470相邻的干板442的流动通道466的出口476处，干燥流体的相对湿度水平最大。上文描述的流体流量分配特征468减少了与干板442的流动通道466的出口476相邻的湿板440的流动通道464中的潮湿流体的体积流量。上述流体流量分配特征468还增加了与湿板440的流动通道464的入口470相邻的干板442的流动通道466中的干燥流体的体积流量。结果是，导致了在与湿板440的流动通道464的入口470相邻的流动通道466的出口476处的干燥流体的相对湿度水平降低到期望的相对湿度水平范围内，并且由此防止在干板442的流体通道466中形成液态水。在非限制性示例中，期望的相对湿度水平范围是大约45%至大约85%。因此，最小化了在跨干板442的这些流动通道466的出口476的方向上的干燥流体的相对湿度分布中的变化。
图11示意性地示出了根据本发明另一实施方式的包括流体流量分配特征568的WVT单元522。干燥流体通过流动通道566的流动方向C5大致垂直于潮湿流体通过湿板540的流动通道564的流动方向D5。湿板540的每个流动通道564具有入口570和出口572，并且干板542的每个流动通道566具有入口574和出口576。
如所图示的那样，湿板540的每个单独的流动通道564形成为具有从入口570至出口572的大致均匀一致的截面通流面积。此外，具有不同宽度WWP5的每个流动通道564形成了WVT单元522的流体流量分配特征568的一部分。流体流量分配特征568控制通过每个流动通道564的潮湿流体的体积流量以及在湿板540上的潮湿流体的流量分配。具体地，从与干板542的流动通道566的入口574相邻的流动通道564开始，每个流动通道564比与其相邻的流动通道564具有更大的宽度WWP5。因此，从与干板542的流动通道566的入口574相邻的流动通道564开始，每个流动通道564比相邻的流动通道564能够容纳更多的潮湿流体。此外，每个流动通道564的容积以及其中潮湿流体的体积流量在跨湿板540从干板542的入口574至干板542的出口576的方向上减少。在所示的实施方式中，通过改变流动通道564的宽度WWP5来修改湿板540的流动通道564的容积。然而应当理解的是，需要时，能够通过改变流动通道564的深度、截面形状或长度来修改流动通道564的容积。
干板542的每个单独的流动通道566形成为具有从入口574至出口576的大致均匀一致的截面通流面积。具有不同宽度WDP5的流动通道566的组形成了WVT单元522的流体流量分配特征568的另一部分。包括了具有不同宽度WWP5的每个流动通道564以及具有不同宽度WDP5的流动通道566的组的流体流量分配特征568使得WVT单元522与如图6-10所示并且在上文描述的WVT单元22、122、222、322、422不同。流体流量分配特征568还控制通过每个流动通道566的干燥流体的体积流量以及在干板542上的干燥流体的流量分配。具体地，与湿板540的流动通道564的入口570相邻的第一组流动通道566比与第一组流动通道566相邻的第二组流动通道566具有更大的宽度WDP5，使得第一组流动通道566中的每个比第二组流动通道566中的每个能够容纳更多的干燥流体。第二组流动通道566比与湿板540的流动通道564的出口572相邻的第三组流动通道566具有更大的宽度WDP5，使得第二组流动通道566中的每个比第三组流动通道566中的每个能够容纳更多的干燥流体。因此，每个流动通道566的容积以及其中干燥流体的体积流量在跨干板542从湿板540的入口570至湿板540的出口572的方向上减少。需要时，能够采用比所示的情况更多或更少组的流动通道566。在所示的实施方式中，通过改变流动通道566的宽度WDP5来修改干板542的流动通道566的容积。然而，应理解的是，需要时能够通过改变流动通道566的深度、截面形状或长度来修改流动通道566的容积。
在与湿板540的流动通道564的入口570相邻的干板542的流动通道566的出口576处，干燥流体的相对湿度水平最大。上述流体流量分配特征568减少了与干板542的流动通道566的出口576相邻的湿板540的流动通道564中的潮湿流体的体积流量。上述流体流量分配特征568还增加了与湿板540的流动通道564的入口570相邻的干板542的流动通道566中的干燥流体的体积流量。结果是，导致了在与湿板540的流动通道564的入口570相邻的流动通道566的出口576处的干燥流体的相对湿度水平降低到期望的相对湿度水平范围内，并且由此防止在干板542的流体通道566中形成液态水。在非限制性示例中，期望的相对湿度水平范围是大约45%至大约85%。因此，最小化了在跨干板542的这些流动通道566的出口576的方向上的干燥流体的相对湿度分布中的变化。
图12示意性地示出了根据本发明另一实施方式的包括流体流量分配特征668的WVT单元622。干燥流体通过流动通道666的流动方向C6大致垂直于潮湿流体通过湿板640的流动通道664的流动方向D6。湿板640的每个流动通道664具有入口670和出口672，并且干板642的每个流动通道666具有入口674和出口676。
如所图示的那样，湿板640的每个单独的流动通道664形成为具有从入口670至出口672的大致均匀一致的截面通流面积。具有不同宽度WWP6的流动通道664的组形成了WVT单元622的流体流量分配特征668的一部分。流体流量分配特征668控制通过每个流动通道664的潮湿流体的体积流量以及在湿板640上的潮湿流体的流量分配。具体地，与干板642的流动通道666的入口674相邻的第一组流动通道664比与第一组流动通道664相邻的第二组流动通道664具有更大的宽度WWP6，使得第一组流动通道664中的每个比第二组流动通道664中的每个能够容纳更多的潮湿流体。第二组流动通道664比与干板642的流动通道666的出口676相邻的第三组流动通道664具有更大的宽度WWP6，使得第二组流动通道664中的每个比第三组流动通道664中的每个能够容纳更多的潮湿流体。因此，每个流动通道664的容积以及其中潮湿流体的体积流量在跨湿板640从干板642的入口674至干板642的出口676的方向上减少。需要时，能够采用比所示的情况更多或更少组的流动通道664。在所示的实施方式中，通过改变流动通道664的宽度WWP6来修改湿板640的流动通道664的容积。然而应当理解的是，需要时能够通过改变流动通道664的深度、截面形状或长度来修改流动通道664的容积。
干板642的每个单独的流动通道666形成为具有从入口674至出口676的大致均匀一致的截面通流面积。此外，具有不同宽度WDP6的每个流动通道666形成了WVT单元622的流体流量分配特征668的另一部分。包括了具有不同宽度WWP6的流动通道664的组以及具有不同宽度WDP6的每个流动通道666的流体流量分配特征668使得WVT单元622与如图6-11所示以及如上文所述的WVT单元22、122、222、322、422、522不同。流体流量分配特征668还控制通过每个流动通道666的干燥流体的体积流量以及在干板642上的干燥流体的流量分配。具体地，从与湿板640的流动通道664的入口670相邻的流动通道666开始，每个流动通道666比与其相邻的流动通道666具有更大的宽度WDP6。因此，从与湿板640的流动通道664的入口670相邻的流动通道666开始，每个流动通道666比相邻的流动通道666能够容纳更多的干燥流体。此外，每个流动通道666的容积以及其中干燥流体的体积流量在跨干板642从湿板640的入口670至湿板640的出口672的方向上减少。在所示的实施方式中，通过改变流动通道666的宽度WDP6来修改干板642的流动通道666的容积。然而应当理解的是，需要时，通过改变流动通道666的深度、截面形状或长度能够修改流动通道666的容积。
在与湿板640的流动通道664的入口670相邻的干板642的流动通道666的出口676处，干燥流体的相对湿度水平最大。上述流体流量分配特征668减少了与干板642的流动通道666的出口676相邻的湿板640的流动通道664中的潮湿流体的体积流量。上述流体流量分配特征668还增加了与湿板640的流动通道664的入口670相邻的干板642的流动通道666中的干燥流体的体积流量。结果是，导致了在与湿板640的流动通道664的入口670相邻的流动通道666的出口676处的干燥流体的相对湿度水平降低到期望的相对湿度水平范围内，并且由此防止在干板642的流动通道666中形成液态水。在非限制性示例中，期望的相对湿度水平范围是大约45%至大约85%。因此，最小化了在跨干板642的这些流动通道666的出口676的方向上的干燥流体的相对湿度分布中的变化。
图13示意性地示出了根据本发明另一实施方式的包括流体流量分配特征768的WVT单元722。干燥流体通过流动通道766的流动方向C7大致垂直于潮湿流体通过湿板740的流动通道764的流动方向D7。湿板740的每个流动通道764具有入口770和出口772，并且干板742的每个流动通道766具有入口774和出口776。
如所图示的那样，湿板740的每个单独的流动通道764形成为具有从入口770至出口772的大致均匀一致的截面通流面积。此外，具有不同宽度WWP7的每个流动通道764形成了WVT单元722的流体流量分配特征768的一部分。流体流量分配特征768控制通过每个流动通道764的潮湿流体的体积流量以及在湿板740上的潮湿流体的流量分配。具体地，从与干板742的流动通道766的入口774相邻的流动通道764开始，每个流动通道764比与其相邻的流动通道764具有更大的宽度WWP7。因此，从与干板742的流动通道766的入口774相邻的流动通道764开始，每个流动通道764比相邻的流动通道764能够容纳更多的潮湿流体。此外，每个流动通道764的容积以及其中潮湿流体的体积流量在跨湿板740从干板742的入口774至干板742的出口776的方向上减少。在所示的实施方式中，通过改变流动通道764的宽度WWP7来修改湿板740的流动通道764的容积。然而要理解的是，需要时，通过改变流动通道764的深度、截面形状或长度能够修改流动通道764的容积。
干板742的每个单独的流动通道766形成为具有从入口774至出口776的大致均匀一致的截面通流面积。此外，具有不同宽度WDP7的各流动通道766形成了WVT单元722的流体流量分配特征768的另一部分。包括了具有不同宽度WWP7的各流动通道764以及具有不同宽度WDP7的各流动通道766的流体流量分配特征768使得WVT单元722与如图6-12所示以及在上文中描述的WVT单元22、122、222、322、422、522、622不同。流体流量分配特征768还控制通过每个流动通道766的干燥流体的体积流量以及干板742上的干燥流体的流量分配。具体地，从与湿板740的流动通道764的入口770相邻的流动通道766开始，每个流动通道766比与其相邻的流动通道766具有更大的宽度WDP7。因此，从与湿板740的流动通道764的入口770相邻的流动通道766开始，每个流动通道766比相邻的流动通道766能够容纳更多的干燥流体。此外，每个流动通道766的容积以及其中干燥流体的体积流量在跨干板742从湿板740的入口770至湿板740的出口772的方向上减少。在所示的实施方式中，通过改变流动通道766的宽度WDP7来修改干板742的流动通道766的容积。然而要理解的是，需要时，能够通过改变流动通道766的深度、截面形状或长度来修改流动通道766的容积。
在与湿板740的流动通道764的入口770相邻的干板742的流动通道766的出口776处，干燥流体的相对湿度水平最大。上述流体流量分配特征768减少了与干板742的流动通道766的出口776相邻的湿板740的流动通道764中的潮湿流体的体积流量。上述流体流量分配特征768还增加了与湿板740的流动通道764的入口770相邻的干板742的流动通道766中的干燥流体体积流量。结果是，导致了与湿板740的流动通道764的入口770相邻的流动通道766的出口776处的干燥流体的相对湿度水平降低到期望的相对湿度水平范围内，并且由此防止在干板742的流动通道766中形成液态水。在非限制性示例中，期望的相对湿度水平范围是大约45%至大约85%。因此，最小化了在跨干板742的这些流动通道766的出口776的方向上的干燥流体的相对湿度分布中的变化。
包括WVT单元22的燃料电池系统10的操作与包括WVT单元122、222、322、422、522、622、722中的至少一个的燃料电池系统10的操作基本类似。因此为了简明起见，仅在下文描述包括WVT单元22的燃料电池系统10的操作。
在燃料电池系统10的操作期间，使干燥流体或阴极供应流体流从流体源13流动通过导管15到达压缩机14。压缩机14压缩干燥流体。之后，压缩过的干燥流体从压缩机14流动通过导管20到达CAC 18。CAC 18冷却干燥流体。使冷却的干燥流体离开CAC 18并且流经导管24到达WVT单元22。与此同时，使潮湿流体或阴极排出流体流从燃料电池堆12的阴极侧流动通过阴极排出导管28到达WVT单元22。
在WVT单元22内，干燥流体流经在干板42中形成的流动通道66，并且潮湿流体流经湿板40的流动通道64。在干燥流体流经干板42的流动通道66以及潮湿流体流经湿板40的流动通道64期间，水和/或水汽从潮湿流体传递到干燥流体。因此，干燥流体借助来自潮湿流体的水和/或水汽湿化。水和/或水汽传递可以包括下述模式：A）水汽在湿板40的流动通道64和干板42的流动通道66中的对流质量传送；以及B）通过与湿板40的流动通道64相邻的层50、52和膜60以及与干板42的流动通道66相邻的层50、52和膜60的扩散传送。此外，如果在湿板40的流动通道64与干板42的流动通道66之间存在压差，那么水借助液压力传送通过层50、52和膜60。之后，被湿化的干燥流体离开干板42的流动通道66并且被促使流经阴极供应导管26到达燃料电池堆12。然后，潮湿流体离开湿板40的流动通道64并且被促使流动到排出口。
燃料电池系统10能够借助燃料电池堆冷却系统30被冷却。在所示的实施方式中，泵32使冷却流体从散热器32流经冷却剂回路36，并且进入到燃料电池堆12以及经过燃料电池堆12。在燃料电池堆12内，冷却流体从燃料电池堆12吸收热量，从而冷却燃料电池堆12。然后，被加热的冷却流体从燃料电池堆12流入到散热器32中。在散热器32内，冷却流体通过与散热器32内的环境空气的热传递来冷却。
图14示意性地示出了根据本发明另一实施方式的包括流体流量分配特征868的燃料电池系统800。燃料电池系统800包括具有阴极侧和阳极侧的燃料电池堆812。取决于燃料电池堆812的负荷需求，阴极供应流体流通过导管815从流体源813供应到压缩机814。在压缩机814内，阴极供应流体流被压缩。如所示的那样，压缩机814通过导管820流体连接到充气空气冷却器（CAC）818。CAC 818冷却由于压缩机814的压缩而已经被加热的阴极供应流体流。要理解的是，CAC 818根据需要能够是任何类型的CAC。CAC 818通过导管824流体连接到水汽传递（WVT）单元822。要理解的是，WVT单元822根据需要能够是任何类型的WVT单元，例如上述WVT单元22、122、222、322、422、522、622、722中的一种。
如所图示的那样，燃料电池系统800包括设置在位于WVT单元822上游的干燥流体的流体供应流中的至少一个流体流量分配特征868，例如固定结构、翼板、阀、挡板、导向叶片等。所示的流体流量分配特征868被设置在CAC 818内。流体流量分配特征868选择性地控制进入到WVT单元822中并且经过干板（未示出）的流动通道（未示出）的干燥流体的流量。因此，与通过和湿板的流动通道的出口相邻的干板的流动通道的干燥流体体积流量相比，流体流量分配特征868能够被用于将更大体积流量的干燥流体引导通过与湿板（未示出）的流动通道（未示出）的入口相邻的干板的流动通道。结果是，在干板的每个流动通道中的干燥流体的体积流量在跨干板从湿板的入口至湿板的出口的方向上减少。要理解的是，如图14中的虚线所指示的那样，流体流量分配特征868能够根据需要被设置在导管820、导管824和/或导管828中。当流体流量分配特征868被设置在导管828中时，流体流量分配特征868选择性地控制进入湿板的流动通道并且通过所述流动通道的潮湿流的体积流量。因此，与通过和干板的流动通道的出口相邻的湿板的流动通道的潮湿流体的体积流量相比，流体流量分配特征868能够将更大体积流量的潮湿流体引导通过与干板的流动通道的入口相邻的湿板的流动通道。例如，CAC 818、导管820、导管824和/或导管828包括固定结构（未示出），所述固定结构诸如是沟槽、通道、内壁、内管等等，所述固定结构允许通过流体流量分配特征868来改变在WVT单元822的干板上的干燥流体的流量分配以及在WVT单元822的湿板上的潮湿流体的流量分配。
WVT单元822还流体连接到燃料电池堆812。所示的WVT单元822流体连接到燃料电池系统800的阴极侧。然而要理解的是，WVT单元822根据需要能够流体连接到燃料电池系统800的阳极侧或以其他方式流体连接。阴极供应流体流通过阴极供应导管826从WVT单元822供应到燃料电池堆812。阴极排出流体流通过阴极排出导管828从燃料电池堆812被提供给WVT单元822。
阴极排出流体流中的水和/或水汽湿化WVT单元822内的阴极供应流体流。在所示的实施方式中，通过可控地增加通过与湿板的流动通道的入口相邻的干板的流动通道的干燥流体的流量和/或减少通过与干板的流动通道的出口相邻的湿板的流动通道的潮湿流体的流量，从而导致了在与湿板的流动通道的入口相邻的干板的流动通道的出口处的干燥流体的相对湿度水平降低到期望的相对湿度水平范围内，并且由此防止在干板的流动通道中形成液态水。在非限制性示例中，期望的相对湿度水平范围是大约45%至大约85%。因此，最小化了在跨干板的这些流动通道的出口的方向上的干燥流体的相对湿度分布中的变化。
燃料电池系统800能够包括进行操作所必需的其他部件，例如，用于测量离开CAC 818的阴极供应流体流的温度的温度传感器（未示出）、用于测量供应到燃料电池堆812的阴极供应流体流的相对湿度和/或用于控制CAC 818的流体流量分配特征868的相对湿度传感器（未示出）、以及燃料电池堆冷却系统830。在所示的实施方式中，燃料电池堆冷却系统830包括泵832和散热器834。泵832使冷却流体（例如，制冷剂）流经冷却剂回路836、进入燃料电池堆812和CAC 818中并且经过燃料电池堆812和CAC 818。来自燃料电池堆812和CAC 818的被加热冷却流体通过与散热器832内的环境空气的热传递来冷却。
在燃料电池系统800的操作期间，使干燥流体或阴极供应流体流从流体源813流动通过导管815到达压缩机814。压缩机814压缩干燥流体。之后，压缩过的干燥流体从压缩机814流动通过导管820到达CAC 818。所示的CAC 818利用冷却剂回路836中的冷却流体来冷却干燥流体。CAC 818中的流体流量分配特征868控制冷却的干燥流体从CAC 818通过导管824到WVT单元822的流量。具体地，与通过与湿板的流动通道的出口相邻的干板的流体通道相比，流体流量分配特征868迫使更多的干燥流体通过与WVT单元822的湿板的流动通道的入口相邻的WVT单元822的干板的流动通道。与此同时，使潮湿流体或阴极排出流体流从燃料电池堆812的阴极侧流动通过阴极排出导管828到达WVT单元822。在WVT单元822内，干燥流体流动通过干板的流动通道，并且潮湿流体流动通过湿板的流动通道。
在干燥流体通过干板的流动通道的流动以及潮湿流体通过湿板的流动通道的流动期间，水和/或水汽从潮湿流体传递到干燥流体。因此，干燥流体借助来自潮湿流体的水和/或水汽被湿化。水和/或水汽的传递可以包括下述模式：A）水汽在湿板的流动通道和干板的流动通道中的对流质量传送；以及B）通过与湿板的流动通道相邻的层和膜以及与干板的流动通道相邻的层和膜的扩散传送。此外，如果在湿板的流动通道与干板的流动通道之间存在压差，那么水借助液压力传送通过层和膜。之后，湿化的干燥流体离开干板的流动通道并且被促使流经阴极供应导管826到达燃料电池堆812。然后，潮湿流体离开湿板的流动通道并且被促使流动到排出口。
燃料电池系统800能够由燃料电池堆冷却系统830冷却。在所示的实施方式中，泵832使冷却流体从散热器832流动通过冷却剂回路836、进入到燃料电池堆812并且通过燃料电池堆812。在燃料电池堆812内，冷却流体从燃料电池堆812吸收热量，从而冷却燃料电池堆812。然后，被加热的冷却流体从燃料电池堆812和CAC 818流动到散热器832中。在散热器832内，冷却流体通过与散热器832内的环境空气的热传递来冷却。
通过前述说明，本领域技术人员能够容易地获得本发明的实质特征，并且在不偏离本发明的精神和范围的情况下能够对本发明做出各种修改和变化以使其适于各种用途和状况。

Claims (20)

1.一种燃料电池系统，包括：
水汽传递单元，所述水汽传递单元包括第一板和第二板，所述第一板具有用于在其中接收一定流量的第一流体的多个第一流动通道，并且所述第二板具有用于在其中接收一定流量的第二流体的多个第二流动通道；以及
流体流量分配特征，所述流体流量分配特征构造成控制通过所述第一流动通道的所述第一流体的流量和通过所述第二流动通道的所述第二流体的流量中的至少一个，其中，在所述第一板上对所述第一流体的流量分配和在所述第二板上对所述第二流体的流量分配中的至少一个是有变化的，其中与所述第二流动通道的入口相邻的所述第一流动通道的容积大于与所述第二流动通道的出口相邻的所述第一流动通道的容积，并且/或者，与所述第一流动通道的入口相邻的所述第二流动通道的容积大于与所述第一流动通道的出口相邻的所述第二流动通道的容积。
2.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其中，所述第一流体是干燥流体，所述第二流体是潮湿流体。
3.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其中，所述第一流动通道与所述第二流动通道大致垂直。
4.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其中，所述流体流量分配特征包括所述第一流动通道中比相邻的第一流动通道具有更大容积的一个第一流动通道。
5.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其中，所述流体流量分配特征包括所述第二流动通道中比相邻的第二流动通道具有更大容积的一个第二流动通道。
6.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其中，所述流体流量分配特征包括第一组所述第一流动通道和第二组所述第一流动通道，所述第一组所述第一流动通道比所述第二组所述第一流动通道具有更大的容积。
7.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其中，所述流体流量分配特征包括第一组所述第二流动通道和第二组所述第二流动通道，所述第一组所述第二流动通道比所述第二组所述第二流动通道具有更大的容积。
8.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其中，所述流体流量分配特征设置在所述水汽传递单元上游处的所述第一流体的供应流体流中，以控制在所述第一板上的所述第一流体的流量分配。
9.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其中，所述流体流量分配特征设置在所述水汽传递单元上游处的所述第二流体的供应流体流中，以控制在所述第二板上的所述第二流体的流量分配。
10.一种燃料电池系统，包括：
水汽传递单元，所述水汽传递单元包括第一板和第二板，所述第一板具有用于在其中接收一定流量的第一流体的多个第一流动通道，并且所述第二板具有用于在其中接收一定流量的第二流体的多个第二流动通道，其中，所述板的所述流动通道中的每一个均包括入口和出口；以及
流体流量分配特征，所述流体流量分配特征包括第一流动通道和第二流动通道，其中，与所述第二流动通道的入口相邻的所述第一流动通道的容积大于与所述第二流动通道的出口相邻的所述第一流动通道的容积，并且与所述第一流动通道的入口相邻的所述第二流动通道的容积大于与所述第一流动通道的出口相邻的所述第二流动通道的容积。
11.根据权利要求10所述的燃料电池系统，其中，所述第一流体是干燥流体，所述第二流体是潮湿流体。
12.根据权利要求10所述的燃料电池系统，其中，所述第一流动通道与所述第二流动通道大致垂直。
13.根据权利要求10所述的燃料电池系统，其中，所述第一流动通道中的每一个的容积在从第二流动通道的入口至第二流动通道的出口的方向上减少。
14.根据权利要求10所述的燃料电池系统，其中，所述第二流动通道中的每一个的容积在从第一流动通道的入口至第一流动通道的出口的方向上减少。
15.根据权利要求10所述的燃料电池系统，其中，第一组所述第一流动通道中的每一个的容积大于第二组所述第一流动通道中的每一个的容积，并且其中，所述第一组所述第一流动通道与所述第二流动通道的入口相邻，并且所述第二组所述第一流动通道与所述第二流动通道的出口相邻。
16.根据权利要求15所述的燃料电池系统，其中，在所述第一组所述第一流动通道和所述第二组所述第一流动通道之间形成第三组所述第一流动通道，并且其中，所述第三组所述第一流动通道中的每一个的容积小于所述第一组所述第一流动通道中的每一个的容积，但大于所述第二组所述第一流动通道中的每一个的容积。
17.根据权利要求10所述的燃料电池系统，其中，第一组所述第二流动通道中的每一个的容积大于第二组所述第二流动通道中的每一个的容积，并且其中，所述第一组所述第二流动通道与所述第一流动通道的入口相邻，所述第二组所述第二流动通道与所述第一流动通道的出口相邻。
18.根据权利要求17所述的燃料电池系统，其中，在所述第一组所述第二流动通道和所述第二组所述第二流动通道之间形成第三组所述第二流动通道，并且其中，所述第三组所述第二流动通道中的每一个的容积小于所述第一组所述第二流动通道中的每一个的容积，但大于所述第二组所述第二流动通道中的每一个的容积。
19.一种燃料电池系统，包括：
水汽传递单元，所述水汽传递单元包括第一板和第二板，所述第一板具有用于在其中接收一定流量的第一流体的多个第一流动通道，并且所述第二板具有用于在其中接收一定流量的第二流体的多个第二流动通道，其中，所述第一流动通道与所述第二流动通道大致垂直；以及
第一流体流量分配特征，所述第一流体流量分配特征被设置在所述水汽传递单元上游的所述燃料电池系统的充气空气冷却器中，以控制通过所述第一流动通道的所述第一流体的体积流量，其中，与通过和所述第二流动通道的出口相邻的所述第一流动通道相比，所述第一流体流量分配特征将更大体积流量的第一流体引导通过与所述第二流动通道的入口相邻的所述第一流动通道。
20.根据权利要求19所述的燃料电池系统，还包括第二流体流量分配特征，所述第二流体流量分配特征设置在所述水汽传递单元上游，以控制通过所述第二流动通道的所述第二流体的体积流量，其中，与通过和所述第一流动通道的出口相邻的所述第二流动通道相比，所述第二流体流量分配特征将更大体积流量的所述第二流体引导通过与所述第一流动通道的入口相邻的所述第二流动通道。
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