CN103608956B - 用于控制燃料电池流体流的能量驱散装置 - Google Patents

用于控制燃料电池流体流的能量驱散装置 Download PDF

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Abstract

一种用于控制燃料电池流体的范例能量驱散装置，其包括在第一开口和第二开口之间在纵向方向上延伸的导管。流控制插入件被构造成容纳于该导管内。流控制插入件被构造成使得燃料电池流体相对于该纵向方向螺旋地流动。

Description

用于控制燃料电池流体流的能量驱散装置
技术领域
本公开总体涉及燃料电池，且更具体地，涉及管理燃料电池流体流。
背景技术
燃料电池堆组件是熟知的。在一些范例中，燃料电池堆包括多个燃料电池单元。各个燃料电池单元包括多个电极组件。每个电极组件具有充当电解质的磷酸层。电解质层位于电极之间。其中一个电极作为阳极运行。另一个电极作为阴极运行。在一个范例中，燃料电池单元可包括布置在冷却器板之间的八个电极组件。压力板邻近各个冷却器板定位以使堆组件完整并且在其之间固定(hold)单个电池。
众所周知，燃料电池单元利用燃料供给部（例如氢和空气）并且可产生液体（例如水）和热副产物。液体冷却剂常常用于将热副产物从燃料电池单元去除。在磷酸燃料电池单元中，液体冷却剂穿过冷却器板传输，以将热副产物从燃料电池单元去除。在磷酸燃料电池中，水常常用作为冷却剂。在其他种类的燃料电池单元中（例如，固体氧化物燃料电池单元）不使用水，是因为那些燃料电池单元在比磷酸燃料电池单元高许多的温度下运行。
冷却剂典型地穿过歧管传输至燃料电池堆组件。随后在燃料电池堆组件内冷却剂从歧管穿过能量驱散装置传输至每个冷却器板。燃料电池堆组件利用能量驱散装置来控制冷却剂至单个冷却器板的传送。该能量驱散装置通常是昂贵、复杂且难以制造的。
发明内容
一种用于控制燃料电池流体的范例能量驱散装置，其包括在第一开口和第二开口之间在纵向方向上延伸的导管。流控制插入件被构造成容纳于该导管内。流控制插入件被构造成使得燃料电池流体相对于该纵向方向螺旋地流动。
一种范例燃料电池装置，其包括燃料电池流体供给部和燃料电池堆。能量驱散装置被构造成控制在该燃料电池流体供给部和该燃料电池堆之间的燃料电池流体流。该能量驱散装置包括插入件，该插入件使得燃料电池流体圆周地流动穿过该能量驱散装置。
一种控制燃料电池流体流的范例方法，其包括在导管处接收燃料电池流体，通过引导燃料电池流体在该导管内螺旋地移动以限制燃料电池流体流，并且将燃料电池流体从导管传输至燃料电池堆。
通过以下说明书和附图，可最佳地理解所公开的范例的这些特征以及其他特征，其中以下是附图的简要说明。
附图说明
图1示出具有多个能量驱散装置的范例燃料电池堆组件。
图2示出来自图1燃料电池堆组件的范例磷燃料电池单元的示意图。
图3示出来自图2燃料电池单元的冷却板的透视图。
图4示出图1燃料电池堆组件所使用的范例能量驱散装置的透视图。
图4A示出图4能量驱散装置的一部分的局部剖视图。
图5示出图4能量驱散装置的导管的透视图。
图5A示出图5导管的一部分的局部剖视图。
图6示出另一个范例能量驱散装置的截面图。
图7示出另一个范例能量驱散装置的局部剖视图。
图8示出图7中的线6-6处的范例横截面图。
图8A示出另一个范例能量驱散装置的横截面图。
图8B示出另一个范例能量驱散装置的近视图。
图8C示出又一个范例能量驱散装置的近视图。
图9示出又一个范例能量驱散装置的局部剖视图。
图10示出再一个范例能量驱散装置的局部剖视图。
具体实施方式
参考图1-3，能量驱散装置10控制歧管14和燃料电池堆组件18之间的燃料电池流体流。在此范例中，燃料电池流体是由供给部22提供的水。在其他范例中，能量驱散装置10传输其他类型的流体。该范例能量驱散装置10限制至燃料电池堆组件18的燃料电池流体流。
在此范例中，该燃料电池流体从能量驱散装置10穿过软管20传输。该范例能量驱散装置10各自将燃料电池流体传输至各个所述软管20之一。在另一个范例中，每个能量驱散装置10将燃料电池流体传输至多于一个的所述软管20，例如使用分流连接器传输。
燃料电池流体从软管20流至在该燃料电池堆组件18内的若干个冷却板24。该燃料电池流体穿过冷却板24中的通道28循环。该燃料电池流体随后从该通道28流至软管32。该燃料电池流体从软管32流至歧管34，歧管34将燃料电池流体传输离开该燃料电池堆组件18。
该范例燃料电池堆组件18包括数个单个燃料电池单元26。在此范例中，每个燃料电池单元26包括堆叠在彼此之上的八个磷酸电极组件30。各个燃料电池单元26还包括对置压力板38和对置冷却板24。
该电极组件30被夹在对置冷却板24之间。众所周知，热能由电极组件30内的反应产生。穿过在冷却板24中的通道28传输的该燃料电池流体用于携带热能离开该电极组件30。该冷却板24由对置压力板38固定。
在该范例中，每个能量驱散装置10通过第一Swagelock®（世伟洛克）装置42相对于歧管14固定。每个能量驱散装置10通过第二Swagelock®装置50相对于软管20固定。在另一个范例中，该能量驱散装置10直接焊接至歧管14并且使用粘合剂相对于软管20固定。其他范例包括紧固该能量驱散装置10的其他手段。
现在参考图4-5B同时继续参考图2，每个范例能量驱散装置10包括导管54和流控制插入件58。该导管54是圆柱形的并且在纵向方向上从第一开口66延伸至第二开口70。该插入件58被构造成容纳于导管54内。
在此范例中，该插入件58是螺纹杆。即若干螺纹74从插入件58的外圆周径向向外延伸。在该能量驱散装置10的装配期间，插入件58压配入导管54内。该范例导管54和该范例插入件58两者都由不锈钢材料制成。其他范例取决于具体需求或可用性可利用不同材料。
在此范例中，导管开口66和70的直径大约为0.75英寸（1.905cm）。插入件58的直径微微大于0.75英寸。因此，当插入件58容纳于导管54内时，螺纹74、导管54的内壁78、或两者都微微变形。插入件58因此通过部件之间的干涉配合或摩擦相对于导管54固定。拥有本领域技术并受益于本公开的人员将理解如何设定导管54和插入件58的尺寸以取得所期望的干涉配合。在另一个范例中，使用焊接或钎焊工序以在导管58内紧固插入件58。
在此范例中，燃料电池流体从歧管14穿过第一开口66流入能量驱散装置10。该燃料电池流体在纵向方向上流过第一开口66。在进入能量驱散装置10后，该插入件58使燃料电池流体变向并且迫使燃料电池流体流过螺旋的流体传输通道82。该插入件58和导管54的内壁78设立该螺旋的流体传输通道82。
在此范例中，螺旋的流体传输通道82的宽度W大约为0.068英寸（0.173cm），而流体传输通道82的高度H大约为0.218英寸（0.554cm）。在此范例中，导管54长度在1.5-2.0英寸（3.81-5.08cm）之间。该插入件58略短一些。在另一个范例中，插入件58与导管54长度相同。
流通道P示出燃料电池流体通道，该燃料电池流体通道穿过螺旋的流体传输通道的一部分。尤其，当流过螺旋的流体传输通道82时，燃料电池流体在相对于纵向方向的基本圆周方向上螺旋地流动。在流过螺旋的流体传输通道82后，该燃料电池流体穿过第二开口70流出能量驱散装置10并且穿过软管20流至冷却板24。在一些范例中，该螺旋的流体传输通道被认为是螺旋的流通道。
流过螺旋的流体传输通道82使燃料电池流体流减速。因此，穿过第一开口66进入该能量驱散装置10的燃料电池流体的压力大于穿过第二开口70流出能量驱散装置10的燃料电池流体的压力。在一个具体的范例中，在燃料电池流体进入第一开口66和流出第二开口70之间，该能量驱散装置10提供1.74psi（12kPa）的压降。
使用能量驱散装置10促进至燃料电池堆组件18内的每个冷却板24的燃料电池流体传送相对一致。即，该能量驱散装置10帮助防止更多燃料电池流体被传送至某些冷却板24，这保证由燃料电池流体所去除的热能将相对一致。
现在参考图6，另一个范例能量驱散装置100包括导管104、第一插入件108和第二插入件112。第一插入件108包括凹陷部116。凹陷部116被构造成容纳第二插入件112。
第二插入件112设立中心孔120。该中心孔120设立流体传输通道118的一部分。更具体地，该中心孔120被构造成将冷却流体从能量驱散装置100的第一端部122传输至对置的能量驱散装置100的第二端部124。中心孔120容纳来自歧管（未示出）的燃料电池流体。
在该燃料电池流体在第二端部124处流出中心孔120后，该燃料电池流体接触凹陷部116的底部126，这使得燃料电池流体径向向外流动并且离开中心孔120。
该燃料电池流体随后进入设立在第二插入件112和第一插入件108的内壁128之间的流体传输通道118的内螺旋区。燃料电池流体沿内螺旋区传输并且圆周地绕中心孔120移动直到该燃料电池流体再次到达第一端部122。
燃料电池流体随后接触导管104的径向延伸翅片130。该翅片130引导燃料电池流体径向向外至设立在导管104的内壁134和第一插入件108之间的流体传输通道118的外螺旋区。该燃料电池流体沿传输通道的外螺旋区传输直到在第二开口138处流出能量驱散装置110。该燃料电池流体穿过第二开口138传输至软管（未示出），该软管将燃料电池流体传输至冷却板。
尤其，在范例能量驱散装置110中，流体在第一纵向方向上传输穿过导管104并且在第二纵向方向上传输穿过导管104。第一纵向方向与第二纵向方向相对。
在一个范例中，能量驱散装置110的插入件108和112是螺纹杆。插入件108和112两者机械加工以分别提供中心孔120和凹陷部116。
现在参考图7和图8，另一个范例能量驱散装置210包括插入件214，插入件214具有在插入件214的外表面内机械加工出的U形通道218。
插入件214容纳于导管222内。该U形通道218在插入件214的第一端226和第二端230之间在纵向方向上延伸。U形通道218的部分232迫使燃料电池流体以相对于纵向方向的螺旋或圆周方向流动。在此范例中，通道218具有正方形横截面。该U形通道218主要在纵向方向上延伸。即，该圆周部分仅形成通道218整个长度的一小部分。
通道218包括使得燃料电池流体在纵向方向上流动的部分和使得燃料电池流体在与该纵向方向相对的方向上流动的部分。
通道218可在轴向方向，径向方向或圆周方向上调节，例如，调节成具有更多或更少U形通道。在不增加插入件214的尺寸的情况下，改变U形通道的数量和通道的横截面面积获得了不同类型的压降。
参考图8A，另一个范例插入件214a限定通道218a，通道218a具有梯形截面。图8B示出另一个范例插入件214b的近视图，插入件214b限定具有不规则五边形截面的通道218b。图8C是又一个范例插入件214c的近视图，插入件214c限定具有U形截面的通道218c。
参考图9和10同时继续参考图7，另一个范例能量驱散装置310包括在纵向方向X上延伸的插入件314。该插入件具有主要在相对于纵向方向X的螺旋或圆周方向C上延伸的若干个U形通道318。
又一个范例能量驱散装置410包括在纵向方向X1上延伸的插入件414。该插入件414具有主要在相对于纵向方向X1的基本螺旋或圆周的方向C1上延伸的若干个U形通道418。
尤其，U形通道218、318和418包括使得燃料电池流体在第一方向上圆周地流动的部分和使得燃料电池流体在与该第一方向相对的第二方向上圆周地流动的部分。
在一个范例中，U形通道218、318和418与插入件58（图4）的螺旋的流体传输通道结合。这类插入件（未示出）的一个范例将包括流体传输通道，该流体传输通道具有被构造成主要圆周地绕插入件引导燃料电池流体的螺旋部分和被构造成主要相对插入件纵向地引导流体的U形通道部分。
所公开的范例的特征包括使用具有紧凑体积的相对简单的结构以从燃料电池流体驱散能量。所公开的范例的制造和组装也相对简单。所公开的范例的又一个特征是相对紧凑体积中的压降插入件的引入，同时保持用于流的相对大的开口。如可理解的，这个特征防止堵塞。
实际上，在前描述是示例性的而非限制性的。针对所公开的范例，不必要偏离本公开实质的变化和改变对于本领域技术人员而言是可变得明显的。因此给予本公开的法律保护范围仅由研究附属权利要求书而确定。

Claims (19)

1.一种用于控制燃料电池流体流的能量驱散装置，包括：
导管，其在第一开口和第二开口之间在纵向方向上延伸；和
第一流控制插入件，其被构造成固定的且容纳于所述导管内，其中所述第一流控制插入件被构造成使得燃料电池流体相对于所述纵向方向在第一螺旋方向上围绕所述第一流控制插入件螺旋地流动；以及
第二流控制插入件，其被构造成容纳于所述导管内，并且与所述第一流控制插入件同轴布置，其中所述第二流控制插入件被构造成使得所述燃料电池流体相对于所述纵向方向在与所述第一螺旋方向相对的第二螺旋方向上围绕所述第二流控制插入件螺旋地流动，其中所述燃料电池流体是冷却剂。
2.根据权利要求1所述的能量驱散装置，其中，所述第一流控制插入件包括螺纹杆。
3.根据权利要求2所述的能量驱散装置，其中，所述螺纹杆直径大于所述导管内尺寸，使得所述螺纹杆通过干涉配合相对于所述导管固定。
4.根据权利要求1所述的能量驱散装置，其中，所述第一流控制插入件包括凹陷部，所述凹陷部被构造成容纳所述第二流控制插入件。
5.根据权利要求4所述的能量驱散装置，其中，所述第一流控制插入件和所述导管的内壁一起设立外螺旋流通道，而所述第二流控制插入件和所述第一流控制插入件的内壁一起设立内螺旋流通道。
6.根据权利要求5所述的能量驱散装置，其中，所述燃料电池流体当沿所述外螺旋流通道传输时，向所述第二开口移动，而当沿所述内螺旋流通道传输时，向所述第一开口移动。
7.根据权利要求1所述的能量驱散装置，其中，穿过所述第一开口进入所述导管的所述燃料电池流体的压力大于穿过所述第二开口流出所述导管的所述燃料电池流体的压力。
8.根据权利要求1所述的能量驱散装置，其中，所述燃料电池流体包括水。
9.一种燃料电池装置，包括：
燃料电池流体供给部；
燃料电池堆；和
能量驱散装置，其被构造成控制在所述燃料电池流体供给部和所述燃料电池堆之间的燃料电池流体流，所述能量驱散装置包括第一插入件，所述第一插入件是固定的且使得所述燃料电池流体在第一螺旋方向上围绕所述第一插入件流动穿过所述能量驱散装置，所述能量驱散装置还包括第二插入件，所述第二插入件使得燃料电池流体在与所述第一螺旋方向相对的第二螺旋方向上围绕所述第二插入件流动穿过所述能量驱散装置，所述第一插入件与所述第二插入件同轴布置。
10.根据权利要求9所述的燃料电池装置，其中，所述第一插入件设立被构造成容纳所述第二插入件的凹陷部。
11.根据权利要求10所述的燃料电池装置，其中，所述能量驱散装置包括第一流通道区以及第二流通道区，所述第一流通道区被构造成将所述燃料电池流体螺旋地向所述燃料电池堆传输，所述第二流通道区被构造成将所述燃料电池流体螺旋地离开所述燃料电池堆传输。
12.根据权利要求11所述的燃料电池装置，其中，所述能量驱散装置在纵向方向上延伸并且所述能量驱散装置包括第三流通道区，所述第三流通道区被构造成将所述燃料电池流体在所述纵向方向上传输穿过所述第二插入件。
13.根据权利要求11所述的燃料电池装置，其中，所述燃料电池堆包括多个磷酸燃料电池。
14.一种控制燃料电池流体流的方法，包括：
在导管处接收燃料电池流体；
通过引导所述燃料电池流体在所述导管内围绕固定的第一螺纹插入件螺旋地移动来限制所述燃料电池流体流；
将所述燃料电池流体从所述导管传输至燃料电池堆；
使用第一螺纹插入件引导所述燃料电池流体在第一纵向方向上螺旋地移动；以及
使用至少部分地容纳于所述第一螺纹插入件内的第二螺纹插入件引导所述流在第二纵向方向上螺旋地移动，所述第二纵向方向与所述第一纵向方向相对。
15.根据权利要求14所述的方法，其中，使用干涉配合将所述第一螺纹插入件固定在所述导管内。
16.根据权利要求14所述的方法，其中，所述燃料电池流体是水。
17.一种用于控制燃料电池流体的燃料的范例能量驱散装置，包括：
导管，其在第一开口和第二开口之间在纵向方向上延伸；和
第一流控制插入件，其被构造成固定的且容纳于所述导管内，其中所述第一流控制插入件被构造成使得燃料电池流体在与所述纵向方向相同的第一方向上流动，以及相对于所述纵向方向围绕所述第一流控制插入件螺旋地流动；以及
第二流控制插入件，其与所述第一流控制插入件同轴布置，且被构造成使得所述燃料电池流体在与所述纵向方向相对的第二方向上流动，以及相对于所述纵向方向围绕所述第二流控制插入件螺旋地流动。
18.根据权利要求17所述的能量驱散装置，其中，所述第一流控制插入件包括多个U形通道，所述U形通道被构造成在所述第一方向上引导所述流体。
19.根据权利要求18所述的能量驱散装置，其中，所述U形通道的横截面形状是矩形。
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