CN102969520A - 降低寿命开始的输水差的水蒸气输送组件中的气流旁通 - Google Patents

Abstract

本发明涉及降低寿命开始的输水差的水蒸气输送组件中的气流旁通，提供一种用于水蒸气输送组件的旁通单元，包括主体、止回阀和可调节流量调节器。所述主体具有通过其形成的管路。所述止回阀与所述管路连通。所述止回阀一般防止旁通流流过所述管路，并在超过阈值流速时允许所述旁通流流过所述管路。所述流量调节器与所述管路连通。所述流量调节器允许调节所述旁通流的流量，以改变所述输水组件的输水率。

Description

降低寿命开始的输水差的水蒸气输送组件中的气流旁通

技术领域

本公开涉及水蒸气输送组件，更特别地，涉及用于燃料电池系统的水蒸气输送组件。

背景技术

燃料电池系统正逐渐在许多应用中用作动力源。例如，燃料电池系统已被提出用在车辆中，作为内燃机的替代品。燃料电池系统也可用作建筑物和住宅中的固定设备，摄像机、计算机等的便携电源。通常，燃料电池系统包括布置在燃料电池堆中用来发电的多个燃料电池，用于给电池充电或给电动机提供动力。

已知一种典型的燃料电池为聚合物电解质薄膜（PEM）燃料电池，其将燃料（例如氢气）与氧化剂（例如氧气）组合，以产生电和水。氧气通常由空气流提供。为了在期望的效率范围内执行，应当保持燃料电池的聚合物电解质薄膜的充分湿度。该充分湿度令人满意地延长燃料电池中电解质薄膜的有用寿命，并保持期望的操作效率。

作为燃料电池系统的一部分，可利用水蒸气输送（WVT）组件来加湿进入燃料电池堆的空气流。WVT组件从来自燃料电池堆的废气流向进入燃料电池堆的供给流输送水蒸气。这一般通过使用仅允许水蒸气从其穿过的水蒸气输送薄膜来完成。该薄膜通常永久性地连接至扩散介质层。该扩散介质层为控制气流的分离器的一部分。例如，该分离器可由通过限定分离器中气流流路的线分隔开的扩散介质层中的两个构成。

受让人的共同未决的、Martinchek等人的美国专利申请No. 12/796,320中描述了示例性的WVT组件，其内容通过引用包含于本文。WVT组件包括构造成接收湿流的多个湿板和构造成接收干流的多个干板。湿板和干板交替成堆，并通过输水薄膜彼此分隔开。水蒸气输送组件允许水从湿流输送至干流。水蒸气输送组件布置在一对端板之间。每个端板都具有多个向外延伸的肋。

作为燃料电池系统的一部分，WVT组件可用于加湿进入燃料电池堆的空气流。已知将WVT组件组装在具有一对湿流孔和一对干流孔的壳体内，并将该WVT组件结合进燃料电池模块，例如燃料电池系统的下端部单元（LEU）。WVT组件和端板布置在所述壳体内。湿流孔与WVT组件的湿板连通，干流孔与WVT组件的干板连通。所述壳体还包括形成在干流孔附近并与湿流孔连通的多个通道。端板的向外延伸肋与所述通道配合以限定壳体的湿流孔之间的弯曲旁通流路。

干流与湿流使用WVT组件的薄膜保持分隔开，该薄膜允许水蒸气从湿流通过到干流，而不允许气体如氧气通过（即，干空气流被加湿，但氧气含量不会消耗）。已知WVT组件的输水率会随着WVT组件的使用寿命而退化。期望在高流量的情况下寿命开始（BOL）时的输水率与寿命结束（EOL）时的输水率之间的差异距目标输水率不超过规定的偏差，例如，约-20%。由于不同WVT组件之间的性能差异，不同WVT组件中的特定一个可能在BOL时不期望地比不同WVT组件中的另一个更接近于EOL输水率。已知在预装测试期间遮住WVT组件中的一部分板，以将WVT组件调节成期望的BOL输水率。然而，由于未利用到整个WVT组件，所以该遮造成了不合期望地浪费。

还已知使用非集成的主动控制旁通阀，以在操作中控制输水率。然而，除了需要用于相关阀和歧管的显著封装容积之外，主动控制旁通阀还给燃料电池系统增加了显著的复杂性。

对于提供调节高流量时的BOL输水率的能力、并最小化BOL性能差异以允许随着WVT组件的使用寿命而额外可允许的输水率退化的WVT组件存在持续地需求。期望地，WVT组件最小化了否则会产生差的闲置性能的低流量时的流量旁通，并可被封装在现有的WVT壳体中。

发明内容

根据本发明，令人惊异地发现了一种WVT组件，其提供调节高流量时的BOL输水率的能力，最小化了BOL性能差异以允许随着WVT组件的使用寿命而额外可允许的输水率退化，最小化了否则会产生差的闲置性能的低流量时的流量旁通，并可被封装在现有的WVT壳体中。

在一个实施例中，一种用于水蒸气输送组件的旁通单元，包括主体、止回阀和可调节的流量调节器。所述主体具有贯穿其形成的管路。所述止回阀与所述管路连通。所述止回阀一般阻止旁通流流过所述管路，但在超过阈值流速时允许所述旁通流流过所述管路。所述可调节的流量调节器与所述管路连通。所述可调节的流量调节器允许调节所述旁通流的流量，以改变所述输水组件的输水率。

在另一实施例中，输水组件包括一对端部单元和衬垫之一，湿板、干板和输水薄膜的堆布置在所述一对端部单元之间，所述衬垫布置在湿板、干板和输水薄膜的所述堆中。端部单元和所述衬垫之一包括旁通单元。

在又一实施例中，一种利用所述旁通单元来改变输水组件的输水率的方法，包括将所述湿流与所述干流之一供给至所述输水组件。在水从所述湿流输送至所述干流之后测量所述干流的相对湿度，以确定所述输水组件的输水率。然后调节所述旁通单元的流量调节器，以改变所述输水组件的输水率。

本发明提供下列技术方案。

技术方案1. 一种用于水蒸气输送组件的旁通单元，包括：

主体，具有通过其形成的管路；

与所述管路连通的止回阀，所述止回阀通常防止旁通流流过所述管路，并在超过阈值流速时允许所述旁通流流过所述管路；以及

与所述管路连通的流量调节器。

技术方案2. 如技术方案1的旁通单元，其中所述管路包括第一部分和第二部分，所述止回阀布置在所述管路的第二部分中。

技术方案3. 如技术方案2的旁通单元，其中所述止回阀包括偏压弹簧和布置在所述管路中的柱塞。

技术方案4. 如技术方案3的旁通单元，其中所述偏压弹簧将所述柱塞朝着所述管路的座面偏压。

技术方案5. 如技术方案4的旁通单元，其中所述座面布置在所述管路的第一部分与第二部分的交界处。

技术方案6. 如技术方案4的旁通单元，其中当所述旁通流的流速低于所述阈值流速时，所述柱塞就位，以防止所述旁通流的流动。

技术方案7. 如技术方案4的旁通单元，其中当所述旁通流的流速超过所述阈值流速时，所述柱塞未就位。

技术方案8. 如技术方案2的旁通单元，其中所述流量调节器至少部分地布置在所述管路的第二部分中。

技术方案9. 如技术方案8的旁通单元，其中所述流量调节器是中空的，并具有形成在其中的至少一个槽。

技术方案10. 如技术方案9的旁通单元，其中所述流量调节器具有形成在其外表面上的沟槽，以便于所述流量调节器的可旋转调节。

技术方案11. 如技术方案9的旁通单元，其中所述流量调节器具有外螺纹，所述管路的第二部分具有内螺纹。

技术方案12. 如技术方案11的旁通单元，其中所述外螺纹与所述内螺纹配合，以将所述流量调节器固定在所述管路的第二部分中。

技术方案13. 如技术方案12的旁通单元，其中当所述流量调节器在所述管路的第二部分中旋转时，所述至少一个槽被暴露于所述旁通流，以便所述旁通流从其流过。

技术方案14. 如技术方案13的旁通单元，其中所述槽暴露的程度依赖于所述流量调节器在所述管路的第二部分中旋转的程度。

技术方案15. 一种水蒸气输送组件，包括：

构造成接收湿流的多个湿板和构造成接收干流的多个干板，所述湿板和干板交替成堆并通过输水薄膜彼此分隔开，至少一个水蒸气输送组件允许水从所述湿流输送至所述干流；以及

旁通单元，具有通过其形成的管路；与所述管路连通的止回阀，所述止回阀通常防止旁通流流过所述管路，并在超过阈值流速时允许所述旁通流流过所述管路；以及与所述管路连通的流量调节器，所述旁通单元构造成接收所述湿流与所述干流之一。

技术方案16. 如技术方案15的水蒸气输送组件，还包括一对端部单元，在该对端部单元之间布置湿板、干板和输水薄膜的堆，至少一个所述端部单元包括所述旁通单元。

技术方案17. 如技术方案15的水蒸气输送组件，还包括布置在湿板、干板与输水薄膜的堆中的衬垫，所述衬垫包括所述旁通单元。

技术方案18. 一种用于改变输水组件的输水率的方法，该方法包括如下步骤：

提供所述输水组件，该输水组件包括构造成接收湿流的多个湿板和构造成接收干流的多个干板以及旁通单元，所述湿板与干板交替成堆，并通过输水薄膜彼此分隔开，至少一个水蒸气输送组件允许水从所述湿流输送至所述干流，所述旁通单元具有通过其形成的管路、与所述管路连通的止回阀、以及与所述管路连通的流量调节器，所述止回阀通常防止旁通流流过所述管路，并在超过阈值流速时允许所述旁通流流过所述管路，所述旁通单元构造成接收所述湿流与所述干流之一；

将所述湿流与所述干流之一供给至所述输水组件；

在水从所述湿流输送至所述干流之后测量所述干流的相对湿度，以确定所述输水组件的输水率；以及

调节所述旁通单元的流量调节器，以改变所述输水组件的输水率。

技术方案19. 如技术方案18的方法，其中所述水蒸气输送组件包括一对端部单元和衬垫之一，湿板、干板和输水薄膜的堆布置在所述一对端部单元之间，所述衬垫布置在湿板、干板和输水薄膜的堆中，其中所述端部单元和所述衬垫之一包括所述旁通单元。

技术方案20. 如技术方案18的方法，其中所述流量调节器被调节成相对于寿命结束时的期望输水率最大化所述输水组件的输水率，并最小化湿流高流速时输水组件的溢流的可能性。 

附图说明

从下面的详细描述，特别是结合本文所述附图时，本领域的技术人员可容易地清楚本公开的上述及其它优点。

图1为根据本公开一个实施例的水蒸气输送组件的透视图，未示出壳体，并进一步示出了干流和湿流通过水蒸气输送组件的示例性流动方向；

图2为图1中所示水蒸气输送组件的旁通单元的透视图；

图3A为旁通单元沿图2中剖面线A-A的剖面侧视图，进一步示出了未打开的一体式止回阀和关闭的可调节流量调节器；

图3B为旁通单元沿图2中剖面线A-A的剖面侧视图，进一步示出了打开的一体式止回阀和打开的可调节流量调节器；以及

图4为图1-3B中所示可调节流量调节器的放大透视图。

具体实施方式

下面的详细描述和附图描述并示出了本发明的多个实施例。该描述和附图用于使本领域的技术人员能够制造和使用本发明，并不意欲以任何方式限制本发明。在所公开的方法方面，所示步骤实质上是示例性的，因此，步骤的顺序并非必需的也不是关键的。

如图1-4中所示，水蒸气输送组件2包括构造成接收湿流3的多个湿板、和构造成接收干流5的多个干板。湿板和干板交替成堆，并通过输水薄膜彼此分隔开。在水蒸气输送组件2的操作期间，水蒸气输送组件2允许从湿流3至干流5的水输送。Skala的美国专利申请公开No. 2009/0092863中描述了一种示例性的水蒸气输送组件，其全部内容通过引用包含于本文。本领域的技术人员应当清楚，在本公开的范围内，也可使用其它结构和类型的水蒸气输送组件2。

水蒸气输送组件2包括上端部单元4和下端部单元6的至少一者。水蒸气输送组件2布置在上下端部单元4、6之间。上下端部单元4、6构造成顺从地压缩湿板和干板以及其间水蒸气输送组件2的输水薄膜。湿板和干板以及输水薄膜的顺从压缩允许操作中水蒸气输送组件2的“呼吸”。例如，上下端部单元4、6可具有由多个螺旋弹簧9连接的弹簧保持特征11，如图1中所示。如果需要，也可使用其它装置来顺从地压缩上下端部单元4、6之间的湿板、干板和输水薄膜。

水蒸气输送组件2和上下端部单元4、6布置在壳体（未示出）中。根据需要，该壳体可为分离的装置或高度集成进上下端部单元4、6的空腔。该壳体具有用于分别向水蒸气输送组件2输送和从其排出湿流3和干流5的湿流孔和干流孔。湿流孔可为用于具有水蒸气成分的湿流3的入口。湿流孔可为用于具有水蒸气成分的湿流3的出口。湿流孔与水蒸气输送组件2的湿板连通。干流孔与水蒸气输送组件2的干板连通。干流孔和湿流孔允许干流5通过水蒸气输送组件2的流动相对于湿流3通过水蒸气输送组件2的流动基本上横向。在本公开的范围内，湿流3和干流5的流动也可利用其它方向。根据需要，壳体也可为单个的一件式壳体或多件式壳体。

水蒸气输送组件2还可包括一对弹性密封8、10。弹性密封8、10抵靠水蒸气输送组件2的端部单元4、6和板。弹性密封8、10还抵靠输送干流5至水蒸气输送组件2的燃料电池模块的相邻配套组件（未示出）。通过弹性密封8、10形成充分的流体密封，防止水蒸气输送组件2操作期间干流5泄漏进湿流3。作为非限制性示例，Martinchek等人的受让人的共同未决美国专利申请No. 12/796,320中公开了弹性密封8、10与示例性壳体的配合，其全部内容通过引用包含于本文。

水蒸气输送组件2还可包括衬垫12。衬垫12用于使水蒸气输送组件2在壳体内对中。衬垫12还最小化了操作中水蒸气输送组件2膨胀和收缩期间的密封移动。尽管图1中显示基本位于堆的中心，但是应当理解，根据需要，也可将衬垫12设于其它位置。

根据本公开，水蒸气输送组件2包括旁通单元14。尽管图1-4中显示旁通单元14为上端部单元4的一部分，但是应当理解，根据需要，旁通单元14同样可为下端部单元6、衬垫12的一部分或关于水蒸气输送组件2位于其它适当位置。

参考图2和图3A-3B，旁通单元14具有主体16，该主体具有通过其形成的管路18。止回阀20与管路18连通。如图3A中所示，止回阀20通常阻止旁通流7流过管路18。如图3B中所示，在阈值流速之上时，止回阀20允许旁通流7流过管路18。本领域技术人员可根据需要选择所述阈值流速。尽管图1-4中显示旁通流7为湿流3，但是本领域技术人员应当理解，在本公开的范围内，旁通流7可选地或另外地包括干流5。

继续参考图3A-3B，管路18包括第一部分22和第二部分24。第一部分22布置为邻近旁通流7的入口，第二部分24布置为邻近旁通流7的出口。第一部分22和第二部分24可具有不同的内径。例如，第一部分22可具有比第二部分24小的内径。根据需要，也可使用第一部分22和第二部分24其它相对内径。

在特定实施例中，止回阀20布置在管路18的第二部分24中。作为非限制性示例，止回阀20可包括布置在管路的第二部分24内的瓣型阀。在本公开的范围内，可使用构造成在流速超过预定阈值时打开并允许旁通流7流过管路18的任何止回阀20。

在某些实施例中，止回阀20包括布置在管路18中的偏压弹簧26和柱塞28。偏压弹簧26布置在柱塞28与旁通流7的出口之间。作为非限制性示例，偏压弹簧26可为螺旋弹簧，但是也可使用其它类型的弹簧。偏压弹簧26一般将柱塞28朝着管路18的座面30偏压。例如，座面30可布置在管路18的第一部分22与第二部分24的交界处。根据需要，座面30也可设在管路18中的其它位置。

柱塞28和座面30可具有对应的形状，以促进柱塞28座靠在座面30时的充分流体密封。在图3A-3B中所示的实施例中，柱塞28基本为球形，座面30基本为圆锥形以接收基本为球形的柱塞28。技术人员应当理解，也可使用其它形状。

柱塞28可由例如橡胶或顺从热塑性材料形成，促进柱塞28座靠时形成充分的流体密封。操作中，柱塞28座靠在座面30上，以在流速低于阈值流速时防止旁通流7流过。当旁通流7的流速超过阈值流速时，由于旁通流7的压力克服了偏压弹簧26的偏压力，所以柱塞28脱离座面30。

本公开的止回阀20可具有选择成在干流3和干流5具有足够低的流速时防止旁通流7的流动的阀开启压力（valve cracking pressure）。由此，阀开启压力被选择成最小化水蒸气输送组件2的差的闲置性能的可能。

本公开的旁通单元14还包括与管路18连通的流量调节器32。流量调节器32是可调节的，并可至少部分地布置在管路18的第二部分24中。如图3A-3B中所示，流量调节器32可从关闭位置（图3A）调节至完全打开位置（图3B）、及其间的多个部分打开位置。尽管流量调节器32显示为布置在管路18的出口，但是应当清楚，根据需要，流量调节器32也可选地布置在管路18的入口，例如在管路18的第一部分22中。

参考图4，流量调节器32为中空的，具有形成在其中的至少一个槽34。流量调节器32的一端封闭。槽34可为穿过流量调节器32形成的细长孔。在特定实施例中，流量调节器32具有外螺纹36，管路18的第二部分24具有内螺纹38。外螺纹36与内螺纹38配合，将流量调节器32固定在管路18的第二部分24中。

应当理解，可调节的流量调节器32有选择地允许旁通流7流动通过。当流量调节器32在管路18中移动时，所述至少一个槽34可暴露于旁通流7，以使旁通流7从其流过。例如，在向内调节流量调节器32时，槽34未暴露，不允许旁通流7从其流过。在调节器32部分地向外调节时，槽34的一部分暴露，允许一部分旁通流从其流过。在调节器32全部向外调节时，槽34全部暴露，允许最大流量的旁通流7从其流过。

由于外螺纹36与内螺纹38配合将流量调节器32固定在管路18的第二部分24中，所以可利用流量调节器32的旋转来向内或向外地移动调节器32，以有选择地暴露所述至少一个槽34。技术人员应当理解，槽34暴露的程度依赖于流量调节器32在管路18的第二部分24内旋转的程度。

在某些实施例中，流量调节器32可具有形成在其封闭端上的沟槽40，以便于例如通过螺丝刀等来可旋转地调节流量调节器32。在其它实施例中，例如，流量调节器32的封闭端可具有夹持面，以便于人工或手动调节流量调节器32。在本公开的范围内，也可使用其它装置来便于流量调节器32在管路18中的调节。

本公开还包括用于改变具有旁通单元14的输水组件2的输水率的方法。该方法包括将湿流3和干流5之一供给至输水组件2的步骤。测量水从湿流3输送到干流5之后干流5的相对湿度。干流5的相对湿度可以是预先知道的，或者可在将水从湿流3输送至干流5之前测量。输水组件2的输水率可由输送水之后测量的干流5的相对湿度的差异来确定。接着调节旁通单元14的流量调节器32，以改变旁通流7的流速，从而调节输水组件2的输水率。因此，在期望目标输水率时，输水组件2可被调节以考虑输水组件2中存在的任意制造或性能差异。

在特定实施例中，调节流量调节器32，以相对于期望的EOL输水率最大化输水组件2的输水率。

本公开的水蒸气输送组件2，特别是流量调节器32，有利地提供了调节高流量时BOL输水率的能力，并最小化了BOL性能差异以允许随着水蒸气输送组件2的使用寿命的额外可允许的输水率退化。特别地，止回阀20最小化了低流量时的流量旁通，否则会产生差的闲置性能。有利地，水蒸气输送组件2也可被封装在已知的壳体中。

进一步估计，水蒸气输送组件2最小化了输水率差异，以允许随着水蒸气输送组件2的可用使用寿命的额外的平均输水率退化。

尽管为示出本发明目的已经示出了特定的示例性实施例和细节，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描述的本公开范围的情形下，可进行各种改变。

Claims (10)

1.一种用于水蒸气输送组件的旁通单元，包括：

主体，具有通过其形成的管路；

与所述管路连通的止回阀，所述止回阀通常防止旁通流流过所述管路，并在超过阈值流速时允许所述旁通流流过所述管路；以及

与所述管路连通的流量调节器。

2.如权利要求1的旁通单元，其中所述管路包括第一部分和第二部分，所述止回阀布置在所述管路的第二部分中。

3.如权利要求2的旁通单元，其中所述止回阀包括偏压弹簧和布置在所述管路中的柱塞。

4.如权利要求3的旁通单元，其中所述偏压弹簧将所述柱塞朝着所述管路的座面偏压。

5.如权利要求4的旁通单元，其中所述座面布置在所述管路的第一部分与第二部分的交界处。

6.如权利要求4的旁通单元，其中当所述旁通流的流速低于所述阈值流速时，所述柱塞就位，以防止所述旁通流的流动。

7.如权利要求4的旁通单元，其中当所述旁通流的流速超过所述阈值流速时，所述柱塞未就位。

8.如权利要求2的旁通单元，其中所述流量调节器至少部分地布置在所述管路的第二部分中。

9.一种水蒸气输送组件，包括：

构造成接收湿流的多个湿板和构造成接收干流的多个干板，所述湿板和干板交替成堆并通过输水薄膜彼此分隔开，至少一个水蒸气输送组件允许水从所述湿流输送至所述干流；以及

旁通单元，具有通过其形成的管路；与所述管路连通的止回阀，所述止回阀通常防止旁通流流过所述管路，并在超过阈值流速时允许所述旁通流流过所述管路；以及与所述管路连通的流量调节器，所述旁通单元构造成接收所述湿流与所述干流之一。

10.一种用于改变输水组件的输水率的方法，该方法包括如下步骤：

提供所述输水组件，该输水组件包括构造成接收湿流的多个湿板和构造成接收干流的多个干板以及旁通单元，所述湿板与干板交替成堆，并通过输水薄膜彼此分隔开，至少一个水蒸气输送组件允许水从所述湿流输送至所述干流，所述旁通单元具有通过其形成的管路、与所述管路连通的止回阀、以及与所述管路连通的流量调节器，所述止回阀通常防止旁通流流过所述管路，并在超过阈值流速时允许所述旁通流流过所述管路，所述旁通单元构造成接收所述湿流与所述干流之一；

将所述湿流与所述干流之一供给至所述输水组件；

在水从所述湿流输送至所述干流之后测量所述干流的相对湿度，以确定所述输水组件的输水率；以及

调节所述旁通单元的流量调节器，以改变所述输水组件的输水率。

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