CN103503210B - 抗冻结燃料电池冷凝器 - Google Patents

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Abstract

被蒸发地冷却的燃料电池堆(50)的阴极排气在热交换器(12a、23、23a)中冷凝，所述热交换器具有延伸的翅片(14、25a)或者管(24、24a)用以阻止冷凝物的汇聚，并且/或者使冷凝器的整个出口表面成为亲水的且用芯材(32)来将水导走。阴极排气流动路径可以是垂直的或者水平的，它们可以被部分地或者完全地制成亲水的，并且如果这样的话，则与冷凝器的亲水端表面液体连通，并且冷凝器(49)可以相对于地球的重力倾斜离开正常取向。

Description

抗冻结燃料电池冷凝器
技术领域
冷凝热交换器，比如适合于用于采用蒸发冷却的燃料电池系统中的那些，具有被汇聚的冷凝物堵塞的趋势，所述汇聚的冷凝物随着阴极排气流在燃料电池系统的关闭期间或者在低动力操作期间的减少而蓄积。在寒冷气候中，在低阴极流动时闭塞冷凝物路径的水可能冻结，从而阻塞穿过阴极的空气流的路径，并妨碍后续启动。冷凝物的汇聚由以下方法阻止：a)使板-翅片型热交换器的翅片延伸超出板；或者b)使有翅管型热交换器具有带有成形端部的管；或者c)通过使阴极排气流动路径的端部设置有亲水表面，所述亲水表面接触将水带走的芯材(wicking)。
背景技术
采用蒸发冷却的燃料电池系统，如美国7,504,170(通过引用并入本文)中那样的，需要紧凑且有效的冷凝热交换器。这在比如由燃料电池供能的电动车辆等移动应用中使用的燃料电池系统中尤其如此。板-翅片型热交换器和有翅管型热交换器适合于这种用途。然而，这些热交换器一般由非常窄的流动通道构成，所述非常窄的流动通道具有非常致密的热传递翅片和管或者板，用以在有限空间内使冷凝流动侧中的热传递面积最大化。
因为冷凝通道如此之窄，所以当燃料电池系统关闭时，水容易残留在流动通道中，原因是由于缺乏足够的移动流体体积来引导冷凝物。在关闭之后，冷凝物趋于横跨窄的通道汇聚，并将在低于冰点的环境中冻结。下一启动被妨碍，因为空气流动通道被冰部分地或者完全地阻塞。此外，冰阻塞将生成结构应力，其可能损伤冷凝器。在一些情况下，特别是如果冷凝物流和冷却流都需要成为水平的，则冷凝物水可能在燃料电池系统的操作期间尤其是在低动力操作期间汇聚起来并堵塞一部分流动通道。
发明内容
在一个实施例中，冷凝热交换器在冷凝物流动通道的流出端处设置有亲水的排水装置。热交换器的至少流出端表面被致使成为亲水的，并与芯材液体连通，所述芯材将水引领离开端表面，比如去往冷凝物蓄积器。水然后可以通过重力流动或者被泵送，用于可能的处理并作为冷却剂返回燃料电池堆。芯材可以是受到适当处理的亲水金属板或者杆或者碳片，或者其它水可渗透的芯材。亲水的端表面和芯材阻止水在燃料电池系统关闭时的汇聚，并且阻止流动通道在正常操作期间的堵塞。
亲水的端表面和芯材可以与板-翅片型或者有翅管型冷凝器一起使用，不管是具有水平冷凝物流还是垂直冷凝物流(或者介于两者间)。冷凝物流动路径可以被部分地或者完全地制成亲水的，用以阻止水的中间通路汇聚。翅片或板或两者的一侧或两侧、或者管的内部可以是亲水的。
在另一实施例中，板-翅片型热交换器的翅片延伸超出板，使得在流动路径的端部处不存在流动的完全闭塞，并且冷凝物必然将从翅片滴落，从而使通路不被水阻塞。在一相似实施例中，有翅管热交换器的替代翅片延伸超出相邻的翅片，用以避免低流动汇聚。在冷凝物在有翅管型热交换器的管中流动的实施例中，管延伸超出翅片，并且管在它们的端部处的下垂(downwardly-depending)部分被移除，使得不会出现完全闭塞。
再一些实施例提供略微倾斜的冷凝热交换器，用以增强冷凝物在操作期间特别是在关闭期间的流走。在这些实施例中，冷凝物引导通路的端部限定出比如平面或者线，并且所述平面或者线相对于燃料堆以大约0°到20°之间的角度被安装在燃料电池发电厂(powerplant)内。所述角度可以优选为大约17°。
本文的各种实施例非常适合于用于移动应用，如在具有由燃料电池驱动的电动马达的车辆中。然而，本文的实施例在静止燃料电池发电厂中也非常有用。
鉴于如在附图中示出的示例性实施例的以下详细说明，其它变型将变得更加清楚明了。
附图说明
图1是本领域公知的板-翅片型热交换器的部分扩大的透视图。
图2是根据一个实施例具有延伸翅片的图1所示类型的板-翅片型热交换器的局部透视图。
图3是依据另一实施例的具有延伸的垂直冷凝物管的有翅管型热交换器的局部透视图。
图4是依据另一实施例的具有延伸的水平冷凝物管的有翅管型热交换器的局部透视图。
图5是依据本发明又一实施例的、冷凝物引导管的全部端表面都是亲水的并与通入冷凝物蓄积器中的芯材液体连通的、水平板-翅片型热交换器的透视图。
图6是具有倾斜的冷凝器用以改进关闭期间的液体流动的燃料电池堆的风格化的示意图。
图7是具有一个倾斜的冷凝器的燃料电池堆在该燃料电池堆垂直时的风格化的示意图。
图8是图7所示燃料电池堆在该燃料电池堆倾斜时的风格化的示意图。
图9是依据另一实施例的具有垂直翅片的有翅管型热交换器的局部透视图，所述垂直翅片中的交替的翅片被延伸。
具体实施方式
参见图1，现有技术公知的板-翅片型热交换器12具有多个波形的翅片14、15，翅片14是垂直的，而翅片15是水平的。每个翅片14、15被布置在薄板16或者较厚的端板17之间。薄板16在侧壁19、20之间铺设在波纹14、15上，垂直波纹14与位于波纹14的左侧和右侧的薄板16(或者端板17)之间的空间18被用于来自阴极的排气的流，从所述阴极，水蒸汽将得到冷凝。在薄板16(或者端板17)之间位于水平波纹15的右侧和左侧的水平流13用于冷却剂流，即，将充分地冷却板和垂直翅片14以便冷凝来自垂直流的所需湿气的流。
只要在垂直波纹14的任一侧存在足够的向下的湿化气体流，则已围绕波纹14冷凝的所有水都将向下流到蓄积器(常规的，图5所示)中。然而，每当流衰减时，如在关闭燃料电池发电厂时，波纹之间的非常细小的空间(其在毫米级)中的水将汇聚起来，原因是由于水对不锈钢边(比如)的相对较高的润湿角，并且在流停止时，垂直波纹的许多或者所有端部将具有水阻塞。如果燃料电池发电厂处于低于水的冻结温度的环境中，则将形成冰，从而阻塞通路，这将阻止来自(并因此去往)阴极的空气流，由此抑制启动操作。
参见图2，本文的一个实施例21将垂直翅片14延伸超出板16、17，使得流动路径的端部不再被完全闭塞。这阻止水的汇聚，并避免冻结。实施例21可以具有如图所示的垂直阴极排气路径、或水平阴极排气路径。
参见图3，延伸的有翅管实施例23包括延伸穿过翅片25的多个垂直中空管24，为了简洁起见只示出了三个，然而在实践中需要大量的翅片和管。这些管是中空的，并意在用于将被至少部分地冷凝的阴极排气的流。管28的端部被成形，比如通过以适当的低角度进行切割，使得存在不被完全闭塞的足够管表面，由此阻止在流体的流减少时比如在燃料电池堆的关闭期间发生汇聚。冷却剂在管之间的空间26中流动。
图4示出了相似的实施例23a，然而该实施例具有水平的冷凝管24a，端部28a被成形为向下打开，因此避免了闭塞和液体的汇聚。
为了热平衡考虑，可能优选的是使冷却剂(比如乙二醇)穿过管流动，且阴极排气在翅片之间流动，如以下相对于图9所描述的。
参见图5，另一实施例12a示出了水从冷凝物翅片14的移除，方法是通过使位于冷凝物流动路径的出口端(如图5所示的右侧)处和附近的、热交换器的全部端表面31的大部分(多于大约一半)成为亲水的并与基本上水可渗透的芯材32液体连通，所述芯材32将引领水进入蓄积器34中。代替采用单个芯材，如果在任何给定情况下认为合适，可以通过垂直条带来取代芯材32。芯材可以是具有亲水表面的任何适当的金属、或被处理以使之更亲水的复写纸、或其它合适的芯材。实施例12a可以具有如图所示的水平阴极排气流动路径、或垂直的阴极排气流动路径。
蓄积器34可以是出口集流箱的一部分，所述出口集流箱比如为阴极排气出口集流箱37，其只被以虚线部分地示出，以为简明起见。集流箱37可以具有顶部39和前部40，所述前部40具有排气流出物，其详情对本实施例来说不重要。
从蓄积器34，冷凝物可以流动穿过出口40，沿着管道41、42前进，在合适之处被泵45推进。冷凝物可以被处理，比如通过穿过去离子器，根据需要被加热或者冷却，并作为冷却剂返回至燃料电池堆。
如果在任何给定的实施方式中有必要或者需要，则冷凝物流动通道可以全都具有亲水表面。翅片14的上表面或翅片14的下表面或两者、和板16的上表面或下表面或两者(图1)以及端板17的内表面可以被制成亲水的。已发现的是，只在一半的冷凝物流动通道中将液体引导至热交换器的亲水端表面通常将是足够的，使得即使另一半被冰阻塞，燃料电池堆的启动也将以较低的空气流轻松地出现。然后，由燃料电池反应所产生的热将融化另一半，由此使流动通道的剩余一半解除阻塞。
对如图5所示的热交换器的端表面的提及意味着翅片14的最右侧端缘、图5中可见的侧板20的最右侧侧表面和侧板19的最右侧端表面。可选地，底板17的最右侧边缘也可以是亲水的。
实施例12a可以被实施为具有亲水管或翅片出口边缘的有翅管冷凝器。
如果被取向有垂直阴极排气路径，则实施例12a可以通过如图6所示那样沿边缘倾斜来获取增强的性能。一对冷凝器49被布置在水平燃料电池堆50下方，成大于0°但小于大约20°的角度，优选为大约17°。单个蓄积器52接收来自冷凝器21的两者的冷凝物。该倾斜允许延伸的翅片14的底部端缘更容易地将水释放在其上，克服由润湿角产生的气泡压力的一部分。
如本文所限定出的，术语“沿边缘(edgewise)”意味着围绕翅片15形成的冷却剂流动通道的排气端在地球垂直意义上比由翅片15形成的冷却剂通道的入口端更高或者更低。
代替倾斜两个冷凝器21，只有单个冷凝器需要被倾斜，如图7和8所示。这是因为即使不是所有的由翅片14形成的阴极排气通道都未恰当地清空，倾斜的冷凝器中的阴极排气通道也将恰当地清空。然后，在后续启动时，倾斜的冷凝器21中的全部通道将打开，从而允许明显的空气流来用于燃料电池堆50的后续初始启动。在初始启动时，由燃料电池反应产生的热将在阴极流出物中提供足够的热，用以融化非倾斜冷凝器21中的冰，用以允许随后的完全空气流。
在只有一个冷凝器倾斜的情况下，如果车辆如图8所示由于在特定地形之上的操作而变得倾斜时，则两个冷凝器的作用将简单地逆转。
图9示出了一替代的有翅管实施例23b，其中比如乙二醇溶液等冷却剂流动穿过管24b(由箭头60示出)，并且阴极排气在翅片25、25a之间的空间62中流动(如箭头62所示)。翅片25a延伸超出翅片25，用以阻止冷凝物在流体流动变低时比如在燃料电池发电厂关闭时的汇聚。
待解决的问题是避免水在冷凝流体流动路径中的汇聚，使得冰将不在流动通道的出口处形成，并且因此将不在燃料电池堆的后续启动时阻塞空气的流动。这对于被蒸发地冷却的燃料电池堆中的阴极排气流动路径特别如此，因为穿过阴极排气流动路径的流在燃料电池堆的关闭期间减少。用于进行此的常用手段是增强水从反应物流体流动通道的出口端的移除，包括通道的端表面和围绕表面。这通过各种手段实现，比如延伸的通道、通道的成形端、亲水涂层和冷凝器的倾斜，所述亲水涂层不仅在通道内，而且在冷凝器的出口端处的每个边缘表面上。
如本文中所使用的，术语“基本上垂直”意味着在相关联的燃料电池堆相对于地球的重力沿正常的操作位置取向时处于小于20°就成为垂直的范围内。
由于可对所公开的实施例作出改变和变型而不偏离构思的意图，因此除了如由所附权利要求书所要求的之外，并非旨在限制本公开。

Claims (8)

1.一种燃料电池设备，包括：
燃料电池堆(50)，其在正常操作中提供包括蒸发冷却水的阴极排气；
至少一个有翅冷凝器，其具有冷却剂流体流动路径，并具有与所述冷却剂流体流动路径处于热导通并被构造成引导阴极排气的冷凝流体流动路径，所述至少一个有翅冷凝器包括具有延伸穿过翅片的管的有翅管型热交换器；
其特征在于：
所述至少一个有翅冷凝器被构造成避免冷凝物在低流体流动期间的汇聚，方法是通过使有翅管冷凝器的至少一部分管(24、24a)延伸超出翅片(25)，且管端(28)的下垂部分被移除，其中所述冷凝流体流动路径是水平的。
2.如权利要求1所述的燃料电池设备，其特征进一步在于：
位于所述冷凝流体流动路径(18)的流体出口端处的端表面(31)是亲水的，并与被构造成将水从所述至少一个有翅冷凝器的流体出口端移除的、水可渗透的芯材(32)液体连通；并且
所述冷凝流体流动路径的至少一部分是亲水的，并与所述至少一个有翅冷凝器的亲水的端表面(31)液体连通。
3.如权利要求1所述的燃料电池设备，其特征进一步在于：
位于所述冷凝流体流动路径(18)的流体出口端处的端表面(31)是亲水的，并与被构造成将水从所述至少一个有翅冷凝器的流体出口端移除的、水可渗透的芯材(32)液体连通。
4.如权利要求1所述的燃料电池设备，其特征进一步在于：
当所述燃料电池堆相对于地球的重力处于其正常的操作取向时，所述至少一个有翅冷凝器的端表面(31)相对于所述燃料电池堆(50)倾斜达0°到20°之间。
5.如权利要求4所述的燃料电池设备，其特征进一步在于：
所述至少一个有翅冷凝器的端表面(31)倾斜17°。
6.如权利要求1所述的燃料电池设备，其特征进一步在于：
所述至少一个有翅冷凝器是有翅管冷凝器，并且所述管(24、24a)具有端表面(28、28a)，所述端表面(28、28a)相对于所述管的轴线成一定角度，且位于所述端表面处的所述管的开口面向下方。
7.如权利要求1所述的燃料电池设备，其特征进一步在于：
当所述燃料电池堆相对于地球的重力处于其正常的操作取向时，所述至少一个有翅冷凝器相对于所述燃料电池堆(50)取向成基本上垂直地引导所述阴极排气。
8.如权利要求1所述的燃料电池设备，其特征进一步在于：
当所述燃料电池堆相对于地球的重力处于其正常的操作取向时，所述至少一个有翅冷凝器相对于所述燃料电池堆取向成基本上水平地引导所述阴极排气。
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