CN107749486A - 燃料电池清洗线系统 - Google Patents

Abstract

本公开涉及一种燃料电池清洗线系统。提供了一种用于燃料电池的联合的水和阳极清空净化线，所述净化线包括：入口部，具有下表面；出口部，具有下表面；中间部，具有下表面并且在入口部和出口部之间延伸。入口部的下表面和出口部的下表面均相对于中间部的下表面沿大体的纵向方向上升。

Description

燃料电池清洗线系统

本申请是申请日为2014年3月11日、申请号为201410088227.6、发明名称为“燃料电池清洗线系统”的发明专利申请的分案申请。

技术领域

本发明涉及一种燃料电池清洗线系统。

背景技术

在燃料电池工作期间，在燃料电池堆的阳极侧会形成诸如产物水、氮以及未耗尽的氢的副产品。在某些已知的系统中，尝试控制产物水的聚集和氮聚集来避免燃料电池性能下降和/或燃料电池系统关闭。一个已知的途径是经由燃料电池堆下游的通道来释放水和氮。使用这种途径，为了从燃料电池堆可控地释放水和氮，通道与阀结合。在寒冷气候操作的过程中，当水可能在通道或阀或者燃料电池的其它具有小横截面面积的部分中结冰时，这种途径可能引起潜在问题的发生。所造成的结冰会引起通道的至少一部分堵塞，并且阻碍流体流动(例如，水和氮的去除)，这会妨害燃料电池系统的功能。

发明内容

在一个实施例中，公开了一种用于燃料电池的联合的水和阳极清空净化线。所述净化线包括：入口部，具有下表面；出口部，具有下表面；中间部，具有下表面并且在入口部和出口部之间延伸。入口部的下表面和出口部的下表面均相对于中间部的下表面沿大体的纵向方向上升。中间部包括以允许气体流过中间部的方式聚集水的蓄水池。

在另一实施例中，公开了一种具有燃料电池堆的燃料电池。分离器设置在燃料电池堆下游并且与燃料电池堆流体连通。清理蓄水池位于分离器下游并且其与分离器流体连通。清理蓄水池包括入口部、出口部以及位于入口部和出口部之间的中间部。入口部相对于中间部以入口角向上成角，而出口部相对于中间部以出口角向上成角。

在一些情况下，出口角大于大约90度且小于大约155.5度。

在一些情况下，清理蓄水池与燃料电池堆的阳极流体连通。

在一些情况下，清理蓄水池与燃料电池堆的阴极流体连通。

在一些情况下，入口角大于大约90度且小于大约155.5度。

在一些情况下，所述燃料电池系统还包括位于出口部下游的阀。

在一些情况下，阀位于清理蓄水池的中间部的与重力的方向相反的上方。

在一些情况下，所述燃料电池系统还包括附加净化通道，所述附加净化通道包括第一端和第二端，第一端连接到分离器的上表面，第二端连接到清理蓄水池的出口部。在又一实施例中，燃料电池系统具有阳极以及远离阳极延伸的初级净化线。第二净化线远离阳极延伸。初级净化线和第二净化线合并成单条出口线。

在一些情况下，第二净化线包括第二净化线入口和第二净化线出口，阳极包括初级入口位置，其中，第二净化线入口位置处于初级入口位置上方。

在一些情况下，第二净化线在入口处具有孔口。

在一些情况下，所述燃料电池系统还包括位于合并成为单条出口线的初级净化线和第二净化线的下游的阀。

在一些情况下，所述燃料电池系统还包括位于初级净化线内的蓄水池。

附图说明

图1A描绘了实施例中的清理蓄水池的独立透视图；

图1B描绘了燃料电池系统的示意图和沿1B—1B线截取的图1A的清理蓄水池的截面图；

图1C描绘了根据另一实施例的可选清理蓄水池的纵向截面图；

图1D描绘了根据又一实施例的清理蓄水池的纵向截面图；

图1E描绘了根据又一实施例的清理蓄水池的纵向截面图；

图1F描绘了沿1F-1F线截取的图1A的清理蓄水池的截面图；

图2描绘了包括附加净化通道的图1B中所引用的燃料电池系统的变型；

图3A描绘了清理蓄水池的变形的截面图；

图3B描绘了清理蓄水池的变形的截面图；

图3C描绘了清理蓄水池的变形的截面图；

图3D描绘了清理蓄水池的变形的截面图；

图3E描绘了清理蓄水池的变形的截面图；

图3F描绘了清理蓄水池的变形的截面图；

图3G描绘了清理蓄水池的变形的截面图。

具体实施方式

现在将详细描述发明人已知的本发明的组成、实施例和方法。然而，应该理解的是，公开的实施例仅仅是本发明的示例，本发明可以以不同的和替代的形式实施。因此，在此公开的具体的细节不应该被解释为限制性的，而仅仅作为用于教导本领域技术人员以各种方式应用本发明的代表性基础。

除非特别地指出，否则说明书中的指示材料的量或者反应和/或使用的条件的所有的数量意在被理解为在描述本发明的最宽的范围时由词语“大约”修饰。

结合本发明的一个或更多个实施例的适于给定目的的材料的组或分类的描述意味着所述组或分类的成员中的任何两个或更多个的混合是合适的。用化学术语对成分的描述指的是加入在说明书中指定的任何化合物时的成分，并且不一定排除在一旦混合之后的混合物的成分间的化学相互作用。对缩略词或其它缩写的第一次定义应用于文中所有后续使用的相同缩写并且应用于比照最初定义的缩写的正常语法变型的加以必要的变更。除非明确相反地指出，否则对属性的测量是通过与对在前或再后参照的同一属性的技术相同的技术来确定。

在燃料电池工作期间，产物水、剩余燃料(诸如氢)和副产品(诸如氮)会在燃料电池堆的阳极侧聚集。已经尝试去除液态产物水以及副产品，并且再利用剩余的氢和水蒸气。一个途径是将这些成分收集在位于燃料电池堆下游的分离器中，将液态水分离并将它引导到联合净化排放通道，然后经由返回通道将剩余的成分返回到燃料电池堆。联合净化排放通道利用单个阀与环境封闭。周期性地，打开这个阀，以排放液态产物水并且净化阳极副产物(诸如氮)。然而，在暴露到寒冷环境温度期间，当剩余的产物水结冰时，使净化功能和排放功能联合在由单个阀所封闭的单个通道中出现结冰和净化和排放流动堵塞的重大风险。在低于0℃的寒冷环境温度下严重关系到结冰的可能性。如果净化和排放功能受到冰堵塞的妨碍，则燃料电池性能劣化，可能到达系统关闭点。

如将在这里描述的，本发明的实施例提供一种对一个或多个上述认定问题的解决方案。一个或多个实施例陈述了通过将新的结构合并到现有的净化通道中以及针对启动鲁棒性避免使用多个阀和通道来降低系统的复杂性，从而使硬件和控制软件最小化。复杂性的降低可以从而使制造成本降低，系统重量减小和/或故障模式发生减小。

在一个或多个实施例中，公开了一种具有位于燃料电池堆下游的清理蓄水池的燃料电池系统。清理蓄水池可以带来下述益处中的一个或多个：(1)减少和/或消除了由于结冰导致的净化通道的堵塞以及(2)减少了用于净化氮和水的阀的数量。在某些情况下，氮、水和氢可以流经采用具有单个下游阀的清理蓄水池的同一通道。可选地，这种途径也可以被称为净化和排放功能一体化。这种途径支持对获得商业可行的燃料电池系统的设计的努力，也就是能够在降低成本并且提高效率的同时在结冰环境条件下一致地启动。另外，如这里所描述的，产物水在寒冷气候条件下引起冰堵的威胁降低。

在一个或多个实施例中，如图1A和图1B所描绘的，总体由100示出的燃料电池系统可以包括燃料电池堆102、位于燃料电池堆102下游并且经由通道130与燃料电池堆102流体连通的分离器104以及位于分离器104下游并且与分离器104流体连通的清理蓄水池106，其中，清理蓄水池106包括入口部116、出口部126以及位于入口部116和出口部126之间的中间部136。入口部116的下表面相对于中间部136的下表面定位成入口角α1。出口部126的下表面相对于中间部136的下表面定位成出口角α2。阀108位于蓄水池106下游。如这里所描述的，清理蓄水池106的这种结构可以在寒冷天气条件下保持通道并且使通道阀免受冰堵。

在燃料电池系统工作期间，产物水、氮和剩余的氢可以从燃料电池堆102经由通道130流到分离器104。在分离器104中，产物水与剩余的氢以及氮分离。产物水通过通道134从分离器104排出。在某些情况下，如图1B所描绘的，分离的氢可以经由氢返回通道132返回到燃料电池堆102。

在一个非限制性实施例中，清理蓄水池106可以形成为具有符合水结冰可能成为问题的任何燃料电池系统的尺寸的可拆卸单元。清理蓄水池还可以被合并到本身排水的底部中。清理蓄水池可以是一体化的单个单元，可选地经由注射成型而形成。这种构造的好处是，在弯角和锥形的部分处首选的液体泄漏会减少，不然的话可能需要焊接和/或熔焊来连接。然而，入口部、出口部和中间部可以是对于每个燃料电池系统尺寸和材料分别可定制的可连接零件。例如，中间部的横截面尺寸可以大于、等于或小于入口部和出口部任何一个的横截面尺寸。还例如，人们可以选择使中间部由与入口部和出口部任何一个的材料不同的材料形成。

通过将阀的总数减少到一个联合净化和排放的阀108，并且通过采用位于阀108上游的清理蓄水池106，一个或多个实施例中的本发明提供了一种防止冰堵塞并清理产物水的协同效应。

在一个或多个实施例中，术语“清理”可以指的是使阳极净化和排放的气流遍布和通过聚集的液态水流动以物理地去除水的行为。

清理蓄水池106可以与燃料电池堆102的阳极或燃料电池堆102的阴极流体连通。当在与阴极流体连通的情况下使用时，清理蓄水池106可以有助于防止物体(诸如电子节气门主体)结冰。

清理蓄水池106(更加具体地说，清理蓄水池106的中间部136)沿重力方向位于分离器104下部，从而水能够经由重力排放到清理蓄水池106中。沿着这个通道，位于清理蓄水池106下游的阀108应该沿重力的方向位于清理蓄水池106上方的位置，从而如果不这样则可能残留在阀108上或者周围的任何水将聚集在中间部136中。水应该在以即使任何聚集的水结冰仍允许气体经过中间部136的方式聚集在中间部136中。

图1C描绘了清理蓄水池106’，清理蓄水池106’示出聚集在中间部136’的下表面142上的水或冰140，在聚集的水或冰上方具有畅通的流动通道。在氮净化和水排放事件过程中，热的阳极副产品的流动使冰融化并且携带聚集在中间部136’中的液体水。在这种构造下，产物水和氮气即使在通道中存在冰的情况下仍被基本去除。因此，这种设计提供了协同效应，其中，不仅能够使氮气和产物水经由具有以降低系统复杂性并且保持成本的单个顺流阀来排出，还提供经由流经清理蓄水池106’的流体混合物实现的内置加热和融化。图1D和图1E描绘了根据本发明可选实施例的清理蓄水池106”和106”’。参照图1D和图1E，入口端110”和110”’可以基本呈圆形或近似于圆形，分别过渡到清理蓄水池106”和106”’。如这里所示出的，图1D的清理蓄水池106”具有近似于矩形蓄水池横截面的中间部136”，其中，从入口端110”的过渡不是逐渐过渡到中间部136”中。而图1E描绘了具有从入口端110”’逐渐倾斜过渡到中间部136”’中的蓄水池106”’。

可以在对清理蓄水池成形时考虑多种因素。这些因素可以包括响应于流动流的特性(它们本身是由使用周期所决定的负载的函数)设计入口角和出口角、入口、出口和蓄水池横截面积以及清理蓄水池各部分的长度、宽度和深度。通常，清理蓄水池应该被设计成具有在浸泡(soak)期间实现储存足够产物水的尺寸，以在接下来的启动尝试时避免系统堵塞。在某些实施例中，进入到蓄水池的角度和从蓄水池出来的角度应该是向上的，以便于重力排水到蓄水池中来存储和凝固水。另外，安装在车辆中的水和阳极清空(knock-out)净化线的位置还应该考虑到道路倾斜(road pitch)。例如，进入到蓄水池的角度和从蓄水池出来的角度应该足够大，以克服±17°的道路倾斜，以便于重力排水到蓄水池中来存储和凝固水。本领域技术人员已知的是，道路倾斜会从处于近乎于平面而极大地脱离至具有会超过±3°、±5°、±8°、±11°、±15°、±18°、±21°和±25°的陡峭的斜坡和下坡的山路，其中，进入到蓄水池的角度和从蓄水池出来的角度应该足够大，以克服这些道路倾斜。

入口部、出口部和/或中间部均可以被构造成具有任何合适的几何特性，包括可以加强或引导流体流的肋和叶片，或者甚至向流体流施加湍流。这种流体流的操纵可以在工作期间增强清理，或者可以在冰冻前的非工作期间用于引导水流。

水应该以即使在任何聚集的水结冰时仍然允许气体通过中间部136的方式全部或者大部分地聚集在中间部136中。

返回参照图1B，入口部116可以被构造为包括第一端110和第二端112的基本呈圆筒的或圆筒结构，具有按中心线轴L1测量的入口长度Ln1。在某些实施例中，入口部116的入口长度Ln1具有0.5英寸到10英寸的值，1.0英寸到5英寸的值或者2.0英寸到3.0英寸的值。

参照图1B，入口角α1可以是由入口部116的纵向截面的下表面和中间部136的纵向截面的下表面所限定的角。

如图1B中所示，出口角α2可以是由中间部136的纵向截面的下表面和出口部126的纵向截面的下表面所限定的角。

在某些实施例中，中心线轴L1、L2和L3的结合构成了清理蓄水池的纵向轴。此外，分别在图1B、1C、1D和1E中描绘的清理蓄水池106、106’、106”和106”’的剖视图可以被认为是横向横截面视图。

入口角α1可以大于大约90度并且小于大约155.5度。在某些情况下，入口角α1在大约100度到大约155.5度之间、大约120度到大约155.5度之间、大约130度到大约155.5度之间或大约140度到大约155.5度之间。

出口角α2可以大于大约90度并且小于大约155.5度。在某些情况下，出口角α2在大约100度到大约155.5度之间、大约120度到大约155.5度之间、大约130度到大约155.5度之间或大约140度到大约155.5度之间。

入口角α1和/或出口角α2可以被构造为在浸泡事件期间便于将水引导到中间部136中。这有助于允许冰在中间部136中形成并且远离对跨接和堵塞会相对更敏感的通道。

本段涉及在车辆内部的燃料电池中安装联合的水和阳极清空净化线。中间部136的中心线轴L2可以定位为相对于重力方向成大约65.5度到大约114.5度、大约70度到大约110度或大约85度到大约95度。相对于入口部106和出口部126而定位的中间部136为水提供平台，以使水留在中间部136的底表面上，留下用于空气流动的上部空间。在某些特定情况下，中间部136可以基本上是平坦的，例如，相对于重力方向成大约88.5度到大约91.5度，以尽可能多地收集水。

参照图1B和图1F，中间部136可以被构造为包括中心线轴L2并且在第二端112和第三端114之间限定的基本圆筒形或圆筒形的结构。图1F中示出的圆筒形结构描绘了下表面152和上表面150。中间部136可以具有按中心线轴L2测量并且以第二端112和第三端114为端部的长度Ln2。在某些设计中，中间部136的长度Ln2具有0.5英寸到10英寸的值，1.0英寸到5英寸的值或者2.0英寸到3.0英寸的值。在一个或多个实施例中，中间部长度Ln2被构造为使得清理水不脱离净化及排放流动气流并且在达到出口部之前返回到蓄水池中(在这种情况下，中间部应是长的)。

在可选实施例中，参照图3A到图3G，中间部136可以被构造成各种形状或者使横截面的形状变化为适于具有在浸泡期间实现储存足够产物水以在接下来的启动尝试时避免系统堵塞的尺寸。图3A到图3G描绘了进入到蓄水池的角度和从蓄水池出来的角度是向上的以便于重力排水到蓄水池中来存储和凝固水的可选实施例。图3A到图3G描绘了沿1F-1F线截取的图1A的清理蓄水池的不同的剖视图，其中，图3A是圆形或基本圆形的，图3B到图3G具有允许重力排水到蓄水池中来存储和凝固水的排水蓄水池。图3A到图3G可以相对于中点固定轴转动15°、30°、45°、60°、75°、90°、105°、120°、135°、150°、165°和180°。

出口部126可以被构造为包括中心线轴L3并且在第三端114和第四端118之间限定的基本圆筒形的结构或圆筒形。出口部126可以具有按中心线轴L3测量并且以第三端114和第四端118为端部的长度Ln3。在某些设计中，出口部126的长度Ln3具有0.5英寸到10英寸的值，1.0英寸到5英寸的值或者2.0英寸到3.0英寸的值。没有想要限制于任何具体的理论，出口部126被构造为使得清理水在到达净化和排除阀之前不掉回到蓄水池中。

当入口部是圆筒形或基本呈圆筒形时，入口部116的平均直径可以为5mm到20mm、7.5mm到17.5mm或者10mm到15mm。在一个或多个实施例中，入口部长度Ln1对流体流动建立了方向性，将流动在入口部的末端和中间部的头端之间分开并且使流体流影响中间部的最下部的内表面。该动作引起对池中的水的清理。在其它实施例中，入口部116可以是圆锥形的或者从110处大底部到112处小底部逐渐变小的截头圆锥形的。

中间部136可以是圆筒形的或基本圆筒形的，或者任何其它合适的截面(诸如矩形或多边形)。当入口部是圆筒形的或基本圆筒形的时，中间部136的平均直径为大约12.5mm到大约55mm、大约40m、大约30mm、大约25mm、大约20mm、大约15mm到大约25mm或者大约17.5mm到大约22.5mm。中间部136可以被构造为平均直径大于入口部116和/或出口部126的平均直径。平均直径值之间的差可以为大约2mm到大约11mm、大约3mm到大约10mm、大约4mm到大约9mm或大约5mm到大约8mm。这些直径可以被构造为使得单液滴的水不会因毛细作用力而与通道桥接或完全阻挡通道。

如图2中所描绘的，燃料电池系统还可以包括附加净化通道202，用于给清理蓄水池106所存在的初级净化通道提供补充净化。附加净化通道可以包括第一端212和第二端222，第一端212连接到分离器104的顶部204和/或容纳于分离器104的顶部204，第二端222设置在阀108上游。在某些情况下，附加净化通道202在节点224处连接到初级净化通道206，其中，第二端222设置在清理蓄水池106下游且在阀108的上游。

输入流可以包括呈液体和/或气体状态的水、氢和以及氮，并且输入流以各种浓度流经初级净化通道和/或附加净化通道。可以控制通过附加净化通道的流动的程度，使得附加净化通道可以仅在初级净化通道不能提供所期望的净化规定量时发挥作用。可以以各种方式进行这种控制，包括采用节流装置(诸如孔口)来限制通过附加净化通道202的流动或者采用阀(诸如电磁阀)。

如图1B和图2所描绘的，虽然附加净化通道202相对于初级净化通道分离地设置，但是附加净化通道202可以供给到初级净化通道所使用的同一个阀108，由此保持低成本和低寄生损失。

参照图1B，清理蓄水池106的中间部136保持在初级净化通道中相对于通道的位置距离分离器104最低的区域。还返回参照图2，清理蓄水池106的中间部136保持在初级净化通道中相对于附加净化通道202的第二端222的最低点。该相对低的区域提供了用于使水远离容易受到形成冰的影响的区域(例如，初级净化通道和附加净化通道的汇合位置(例如，第二端222)，或者阀108中的孔口)聚集的区域。

提供附加净化通道202，使得附加净化通道202位于分离器104的顶部位置处，允许气流在初级通道中存在冰堵的情况下通过。附加净化通道202与初级通道在阀108的上游的位置之前汇合。在分离器104处的源头可以防止可能随后结冰的液态水的聚集。附加净化通道202可以包含位于流动途径中的孔口(未示出)，以限制流体流动，确保大多数的净化和排放流体流经初级通道，除非初级通道被液态水或者冰堵塞或者限制。

因此，附加净化通道202用作旁通环路，其将在初级净化通道被冰阻塞的情况下使净化能够流动，直到初级净化通道解冻且使净化和排放流体都能够流动为止。按照这种布置，阀108必须位于使得其不是整个系统的最低组件的位置处，以防止阀108遭受到冰堵。

在某种设计下，初级通道和第二通道可以由传导材料形成，并且可以全部或者部分地放置在运载热气体或流体的另一系统管道(诸如从电池堆伸出的引起阴极排气通道或者运载热的电池堆出口冷却剂的管)的内部。按照这种方式，通道将被它们周围环境潜在地加热，使用余热有效地融化任何冰块。合适的传导材料包括但不限于金属、铜、铝、复合材料等。

在某些其它设计中，可以与初级通道和第二通道紧密连通地设置热源，以促进冰融化。

在某些其它设计中，可以使初级通道和第二通道整体或部分隔离，以通过防止热损耗而促进冰融化。

在某些其它设计中，可以在旁通净化通道中放置水-汽可渗透而水-液不透膜，以使液态水排出通道阀而防止冰堵。

总体上已经描述了本发明的一些实施例，可以通过参照特定的具体示例而获得进一步的理解，除非另外指出，否则特定的具体示例在这里仅出于说明的目的而提供的，并且不意图是限制性的。

示例

根据图1A和图1B中示出的构造形成的清理蓄水池的样品。所形成的清理蓄水池的样品的具有下述尺寸：入口部长度为63.5mm，入口部平均直径为12.7mm，α1为147度，中间部的长度为54.0mm，中间部的平均直径为19.1mm，α2为155.5度，入口部的长度为41.3mm，入口部的平均直径为12.7mm。

根据图2建立的标准附加净化通道证明了在冷浸泡期间可接受的净化性能，在接下来的冰冻开始时不需要多个阀的情况下维持净化流通路径的敞开。

尽管已经详细地描述了用于实施本发明的最佳模式，但是对本发明涉及的领域熟悉的技术人员将认识到用于实施由权利要求所限定的本发明的各种替代设计和实施例。

Claims (10)

1.一种燃料电池系统，包括：

燃料电池堆，被构造为产生水和可再利用的燃料；

分离器，位于燃料电池堆的下游并且与燃料电池堆流体连通，分离器被构造为将水与可再利用的燃料分离；

清理蓄水池，位于分离器的下游并且与分离器流体连通，清理蓄水池被构造为接收来自分离器的水，清理蓄水池包括入口部、出口部以及位于入口部和出口部之间的中间部，中间部包括蓄水池和在中间部之间延伸的通道，所述通道被构造为在所述蓄水池被冻结的流体占据时允许流体流流动通过该通道。

2.如权利要求1所述的燃料电池系统，其中，所述清理蓄水池与燃料电池堆的阳极流体连通。

3.如权利要求1所述的燃料电池系统，其中，所述清理蓄水池与燃料电池堆的阴极流体连通。

4.如权利要求1所述的燃料电池系统，还包括阀，所述阀位于所述出口部的下游并且具有打开位置和关闭位置，当所述阀处于打开位置时，所述阀被构造为允许所述流体流流出至大气。

5.如权利要求1所述的燃料电池系统，其中，所述入口部相对于所述中间部以入口角向上成角，所述出口部相对于所述中间部以出口角向上成角。

6.如权利要求1所述的燃料电池系统，其中，所述清理蓄水池位于所述分离器的下方。

7.如权利要求1所述的燃料电池系统，其中，所述中间部是水平的中间部。

8.一种燃料电池系统，包括：

燃料电池堆，被构造为产生水和可再利用的燃料，并具有浸泡周期；

分离器，位于燃料电池堆的下游并且与燃料电池堆流体连通，分离器被构造为将水与可再利用的燃料分离；

清理蓄水池，位于分离器的下游并且与分离器流体连通，清理蓄水池被构造为接收从分离器接收的水，清理蓄水池包括入口部、出口部以及位于入口部和出口部之间的中间部，中间部包括蓄水池和在中间部之间延伸的通道，所述通道被构造为在浸泡周期期间储存从分离器接收的水，以在浸泡周期之后的燃料电池系统的启动尝试期间避免燃料电池系统的堵塞。

9.如权利要求8所述的燃料电池系统，其中，所述清理蓄水池与燃料电池堆的阳极流体连通。

10.如权利要求8所述的燃料电池系统，其中，所述清理蓄水池与燃料电池堆的阴极流体连通。