燃料電池系統(tǒng)和燃料電池凈化設備的制作方法
【專利摘要】提供了一種燃料電池系統(tǒng)和燃料電池凈化設備，用于燃料電池系統(tǒng)的燃料電池凈化設備包括分離器，所述分離器限定用于接收包括流體和雜質(zhì)的再循環(huán)燃料流的腔室。所述設備具有帶連接到所述分離室的外通道的排放導管。所述外通道形成流體儲液槽，以收集所述流體。所述排放導管還具有內(nèi)通道，所述內(nèi)通道穿過所述流體儲液槽嵌套在所述外通道內(nèi)，用于將所述雜質(zhì)傳送到凈化閥。所述內(nèi)通道具有延伸到所述分離器的分離室中的自由端。
【專利說明】燃料電池系統(tǒng)和燃料電池凈化設備

【技術(shù)領域】
[0001 ]多個實施例涉及一種用于凈化來自燃料電池的雜質(zhì)或排放來自燃料電池的水的系統(tǒng)。

【背景技術(shù)】
[0002]已知多個燃料電池結(jié)合到一起形成燃料電池堆。這種燃料電池堆通常響應于將氫和氧電化學地轉(zhuǎn)換為水而提供電流。在這個過程中產(chǎn)生的電流用于驅(qū)動車輛中或其他這種設備中的各種裝置。供應裝置(supply)通常將氫提供至燃料電池堆。燃料電池堆可使用比由供應裝置提供的氫少的氫來產(chǎn)生電力。噴射器接收從燃料電池堆排放的未使用的氫并使未使用的氫與從供應裝置產(chǎn)生的氫結(jié)合，以維持氫向燃料電池堆的流動。
[0003]在燃料電池工作期間，在燃料電池堆的陽極側(cè)會形成諸如產(chǎn)物水、氮以及未消耗的氫的副產(chǎn)物。在某些已知的系統(tǒng)中，例如，試圖控制產(chǎn)物水和/或氮的聚集來避免燃料電池性能下降。一種已知的途徑是經(jīng)由燃料電池堆下游的通道來釋放水和/或氮。副產(chǎn)物可再循環(huán)，以使未使用或未耗盡的氫返回到燃料電池堆的陽極側(cè)，從而提高燃料經(jīng)濟性。再循環(huán)可用于使陽極側(cè)濕潤，以促進有效的化學轉(zhuǎn)換并延長電池膜的壽命。然而，可能需要移除再循環(huán)流中的液態(tài)水(例如，水滴)，以防止燃料電池堆流場通道或噴射器內(nèi)的水堵塞。
[0004]對于車輛中的燃料電池應用，可能需要燃料電池在冰凍環(huán)境溫度下運轉(zhuǎn)。車輛和燃料電池可暴露在-25攝氏度甚至更低的溫度(遠低于水的結(jié)冰點)下。對于燃料電池車輛，需要解決寒冷天氣運轉(zhuǎn)問題，以使其在極端環(huán)境溫度氣候下運轉(zhuǎn)，從而滿足對于車輛的用戶期望。當暴露于冰凍狀況時，含有反應物流體和水的氫燃料電池部件(例如，排放或凈化組件)會由于結(jié)冰而遇到運轉(zhuǎn)問題。
[0005]對于具有結(jié)合了陽極凈化/排放組件的現(xiàn)有技術(shù)系統(tǒng)，降低了成本；然而，在冰凍起動期間，該組件對產(chǎn)物水凍結(jié)可能敏感。結(jié)合的陽極凈化/排放組件內(nèi)產(chǎn)生的冰會影響陽極凈化功能，導致氮聚集在陽極堆中并且降低燃料電池性能。現(xiàn)有技術(shù)燃料電池系統(tǒng)已使用加熱器組件主動地給排放組件或凈化組件加熱，以防止結(jié)冰或移除結(jié)冰。當加熱器使用來自電池的動力時，加熱器使燃料電池的整體效率降低。其他現(xiàn)有技術(shù)系統(tǒng)要求另外的管道設施(例如，輔助管和另外的凈化閥)，以防止冰堵塞凈化系統(tǒng)內(nèi)部。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]在一個實施例中，一種燃料電池系統(tǒng)設置有燃料電池堆和與所述燃料電池堆流體連通的凈化組件。所述凈化組件具有分離器，所述分離器限定用于接收包括流體部分和雜質(zhì)部分的再循環(huán)燃料流的腔室。凈化閥位于所述分離器的下游，用于凈化來自燃料電池系統(tǒng)的雜質(zhì)部分。排放導管將所述分離器與所述凈化閥連接。所述排放導管具有連接到所述腔室的下端的外通道，所述外通道形成流體儲液槽，以收集所述流體部分。所述排放導管還具有嵌套在所述外通道中的內(nèi)通道，并且所述內(nèi)通道延伸通過所述流體儲液槽，用于將所述雜質(zhì)部分傳送到所述凈化閥。所述內(nèi)通道具有延伸到所述腔室中的自由端。
[0007]在另一實施例中，一種燃料電池凈化設備設置有分離器，所述分離器限定用于接收包括流體和雜質(zhì)的再循環(huán)燃料流的腔室。排放導管具有外通道，所述外通道連接到所述腔室，所述外通道形成流體儲液槽，以收集所述流體。所述排放導管還包括內(nèi)通道，所述內(nèi)通道穿過所述流體儲液槽嵌入在所述外通道中，用于將所述雜質(zhì)傳送到凈化閥。所述內(nèi)通道具有延伸到所述腔室中的自由端。
[0008]所述分離器和所述排放導管關(guān)于所述分離器的縱軸同軸。
[0009]所述內(nèi)通道和外通道關(guān)于所述排放導管的縱軸同軸。
[0010]在又一實施例中，一種燃料電池凈化組件設置有分離器，所述分離器限定用于通過入口導管接收包括流體部分和雜質(zhì)部分的再循環(huán)燃料流的腔室。凈化閥設置在所述分離器的下游，用于凈化來自燃料電池系統(tǒng)的雜質(zhì)部分。排放導管將所述分離器和所述凈化閥連接。所述排放導管具有外通道，所述外通道連接到所述分離室的下端，所述外通道形成流體儲液槽，以收集所述流體部分。所述排放導管還具有內(nèi)通道，所述內(nèi)通道嵌套在所述外通道內(nèi)并延伸通過所述流體儲液槽，用于將所述雜質(zhì)部分傳送到所述凈化閥。所述內(nèi)通道具有延伸到所述腔室內(nèi)的自由端。
[0011]所述入口導管朝向所述分離器的下端彎曲并且所述內(nèi)通道面向所述分離器的上端。
[0012]所述分離器具有從所述分離室的上端延伸到所述分離室中的突起，所述突起被設置成指引來自所述入口導管的再循環(huán)燃料流遠離所述內(nèi)通道的入口。
[0013]所述內(nèi)通道被彎曲成使得所述內(nèi)通道的入口面向遠離所述入口導管的方向。
[0014]所述內(nèi)通道具有設置在所述自由端上方的帽，所述內(nèi)通道限定提供所述分離室和所述內(nèi)通道之間的流體連通的一系列孔。
[0015]所述流體部分包括液態(tài)水并且所述雜質(zhì)部分包括氮。
[0016]所述凈化組件被構(gòu)造使得所述流體部分從所述分離器的下端直接流動到所述外通道和流體儲液槽中，使得在冰凍狀況期間所述流體部分在所述流體儲液槽內(nèi)凍結(jié)。
[0017]所述內(nèi)通道被構(gòu)造為通常保持使所述流體部分自由流動，以使所述內(nèi)通道在冰凍狀況期間為所述分離器和所述凈化閥之間的雜質(zhì)部分提供無障礙通道。
[0018]本發(fā)明的各種實施例具有相關(guān)聯(lián)的非限制性優(yōu)點。例如，在冰凍狀況期間，來自分離器的嵌套的排放管線允許來自分離器的流體流不間斷。排放管線被彎曲成使得外導管形成用于液態(tài)水的儲液槽。允許外導管內(nèi)的任何水結(jié)冰。當外導管具有冰堵塞時，流體(包括副產(chǎn)物水蒸氣和氮)繼續(xù)流動通過內(nèi)導管。這就使得即使在冰凍狀況期間，也可進行凈化或排放過程。儲液槽中的任何結(jié)冰能夠在操作時融化，因此，雖然沒有加熱元件，但整體燃料電池效率不受影響。由于可根據(jù)需要發(fā)生凈化或排放過程，因此，燃料電池性能也不受影響。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0019]圖1是根據(jù)實施例的燃料電池系統(tǒng)的實施例的示意圖；
[0020]圖2是根據(jù)實施例的用于燃料電池的凈化組件的示意圖；
[0021]圖3是根據(jù)實施例的用于凈化系統(tǒng)組件的分離器的示意圖；
[0022]圖4是根據(jù)實施例的用于凈化組件的另一分離器的示意圖；
[0023]圖5是根據(jù)實施例的用于凈化組件的又一分離器的示意圖；
[0024]圖6是根據(jù)實施例的用于凈化組件的另一分離器的示意圖。

【具體實施方式】
[0025]根據(jù)需要，本發(fā)明的詳細實施例公開于此。應該理解的是，公開的實施例僅僅是本發(fā)明的示例，本發(fā)明可以以不同的和替代的形式實施。附圖不一定按比例繪制，可夸大或最小化一些特征，以示出特定部件的細節(jié)。因此，在此公開的具體結(jié)構(gòu)和功能的細節(jié)不應該被解釋為限制，而僅僅作為用于教導本領域技術(shù)人員以各種方式應用本發(fā)明的代表性基礎?；瘜W術(shù)語中對成分的描述指的是加入到說明書中指定的任何組合物時的成分，并且不一定排除在一旦混合之后混合物的成分之間的化學相互作用。
[0026]圖1是示意性地示出了根據(jù)至少一個實施例的作為處理流程圖(process flowdiagram)的燃料電池系統(tǒng)10。例如，燃料電池系統(tǒng)10可用在車輛中來提供電力，以使電動機運轉(zhuǎn)來推進車輛，或者執(zhí)行其他的車輛功能。如本領域所公知的，燃料電池系統(tǒng)10可以是質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)。燃料電池系統(tǒng)10可以在基于燃料電池的電動車輛中或基于燃料電池的混合動力車輛中或者使用電流來驅(qū)動各種裝置的任何其他這樣的設備中實現(xiàn)。
[0027]燃料電池系統(tǒng)10具有燃料電池堆12。燃料電池堆12包含多個電池，其中，每個電池具有陽極側(cè)14、陰極側(cè)16以及陽極側(cè)14和陰極側(cè)16之間的膜18。雖然燃料電池堆12包含任何數(shù)量的燃料電池，但在圖1中僅示出了燃料電池堆的一個燃料電池。燃料電池系統(tǒng)10與(例如)高壓總線20或牽引電池電連接并提供能量至高壓總線20或者牽引電池。燃料電池堆12響應于將氫和氧進行電化學轉(zhuǎn)換而產(chǎn)生堆電流。燃料電池堆12也可具有冷卻回路(未示出)。
[0028]各種電子裝置可結(jié)合到高壓總線20，以消耗這樣的電力進行運轉(zhuǎn)。如果燃料電池系統(tǒng)10用于與車輛連接，那么所述裝置可包括電動機或多個車輛電子部件(每個車輛電子部件消耗電力以用于特定目的)。例如，這樣的裝置可與車輛動力傳動系、客艙加熱和冷卻、室內(nèi)/室外照明、娛樂裝置以及電動鎖窗相關(guān)連，但不限于此。在車輛中實現(xiàn)的裝置的特定類型可基于車輛內(nèi)容(vehicle content)、使用的電動機的類型以及實現(xiàn)的燃料電池堆的特定類型而改變。
[0029]在燃料電池系統(tǒng)10的工作期間，產(chǎn)物水、剩余燃料(諸如氫)和副產(chǎn)物(諸如氮)會在燃料電池堆12的陽極側(cè)14聚集。已經(jīng)試圖去除液態(tài)產(chǎn)物水以及副產(chǎn)物，并且試圖再利用剩余的氫和至少一部分水蒸氣。一個途徑是將這些成分收集在燃料電池堆12的下游的凈化組件36中，將液態(tài)水和/或氮的至少一部分分離，并在再循環(huán)回路中經(jīng)由返回通道使剩余的成分返回到燃料電池堆12。凈化組件36的各實施例包括設置在主要排放通道內(nèi)的次級排放通道，以使液態(tài)水流在進入凈化閥之前與剩余的成分分離，因此即使由于冰凍狀況(例如，在燃料電池起動時)而在凈化組件36內(nèi)出現(xiàn)結(jié)冰的情況下，也能夠使氮被凈化。
[0030]主要燃料源22 (例如，主要氫源)連接到燃料電池堆12的陽極側(cè)14，以提供燃料供應流(或陽極流)。主要氫源22的非限制性示例是高壓氫儲罐或氫化物儲存裝置。例如，液態(tài)氫、各種化學品中儲存的氫(例如，硼氫化鈉或鋁氫化物)、或者存儲在金屬氫化物中的氫可被用于替代壓縮的氣體。罐閥(未示出)控制供應的氫的流動。調(diào)壓器(未示出)調(diào)節(jié)供應的氫的流動。
[0031]主要氫源22連接到一個或更多個噴射器24。噴射器可以是可變的噴射器或多級噴射器或者是其他合適的噴射器。噴射器24被構(gòu)造為使供應的氫(例如，從主要氫源22接收的氫)與未使用的氫(例如，從燃料電池堆12再循環(huán)的氫)相合并，以產(chǎn)生輸入燃料流。噴射器24控制輸入燃料到燃料電池堆12的流量。噴射器24具有將氫供應至縮擴噴嘴28的收縮部分的噴嘴26?？s擴噴嘴28的擴張部分連接到陽極側(cè)14的輸入部30。
[0032]陽極側(cè)14的輸出部32連接到再循環(huán)回路34。如圖所示，再循環(huán)回路34可以是被動再循環(huán)回路，或者根據(jù)另一實施例，再循環(huán)回路34可以是主動再循環(huán)回路。通常，過量的氫氣被提供至陽極側(cè)14，以確保足夠的氫可用于燃料電池堆12中的全部的電池。換句話說，按照I以上的化學計量比(即，相對于精確的電化學需求以富燃比)將氫提供給燃料電池堆12。在陽極輸出部32的未使用的燃料流或再循環(huán)的燃料流除了氫還可包括各種雜質(zhì)(例如，液態(tài)形式和蒸汽形式兼有的氮和水)。設置再循環(huán)回路34使得陽極側(cè)14未使用的過量的氫返回到輸入部30，從而使未使用的氫被使用而不被浪費。
[0033]聚集的液相水和氣相水是陽極側(cè)14的輸出。陽極側(cè)14需要加濕，以有效地進行化學轉(zhuǎn)換并延長膜的壽命。再循環(huán)回路34可被用于提供水，以使供應的氫氣在進入陽極側(cè)14的輸入部30之間被加濕?？商鎿Q地，可設置加濕器來將水蒸氣添加至輸入燃料流。
[0034]再循環(huán)回路34包括凈化組件36，以去除來自再循環(huán)流的雜質(zhì)或副產(chǎn)物(例如，過量的氮、液態(tài)水和/或水蒸氣)。凈化組件36包括水分離器或除水(knock-out)裝置38、排放管線40以及控制閥42 (例如，凈化閥)。分離器38接收來自陽極側(cè)14的輸出部32的水、氮氣、氫氣的流體混合物或流。所述水可以是混合相態(tài)并且可包含液相水和氣相水。分離器38去除至少一部分液相水，所述去除的至少一部分液相水通過排放管線40從分離器排出。氮氣、氫氣以及氣相水中的至少一部分也可從排水管線40排出，并且(例如)在燃料電池堆12的凈化過程期間流經(jīng)控制閥42?？刂崎y42可以是電磁閥或者其他合適的閥。分離器38中的剩余的流體通過再循環(huán)回路34的連接到噴射器24的通道44排出。通道44中的流可包含與輸出部(即，出口)32的氫大體上等量的氫。通道44中的流體被送進到縮擴噴嘴28的收縮部分，所述流體在縮擴噴嘴28的收縮部分與來自噴嘴26和主要氫源22的氫混合。
[0035]凈化組件36還可包括氫濃度傳感器，氫濃度傳感器測量(例如)在陽極輸出部32處的未使用的燃料流中的氫的量。當傳感器檢測氫的量少于預定的氫設置點時，燃料電池系統(tǒng)10中可能存在過量的氮，并且閥42可被打開，以排放來自未使用的燃料流的氮。響應于凈化閥42打開來排放氮，可增加供應的氫的流量。閥42可響應于傳感器檢測到未使用的燃料流中的氫高于預定的氫的設置點而被命令為關(guān)閉。
[0036]可通過凈化組件36將液態(tài)水從陽極側(cè)14去除，以防止通道和電池的陽極側(cè)14內(nèi)的水堵塞。燃料電池堆12內(nèi)的水堵塞可導致電池電壓的降低和/或燃料電池堆12內(nèi)的電壓不穩(wěn)定。也可通過分離器38去除液態(tài)水，以防止噴射器24內(nèi)部的堵塞或局部堵塞?？s擴噴嘴28的擴張部分中的液態(tài)水滴在管嘴28內(nèi)有效地創(chuàng)建了第二文丘里部分并導致噴射器24的泵送的不穩(wěn)定。凈化組件36的排放管線40被構(gòu)造為防止排放管線40在由于冰凍狀況導致的結(jié)冰期間的堵塞。通過防止排放管線40內(nèi)部的結(jié)冰堵塞，即使在冰凍狀況下，也可凈化燃料電池堆12中過量的水和/或氮，從而提高燃料電池系統(tǒng)10的性能以及工作效率。
[0037]燃料電池堆12的陰極側(cè)16接收陰極流中的氧，例如，空氣源46 (例如，大氣)中的成分。在一個實施例中，壓縮機48由電動機50驅(qū)動，以向進入的空氣加壓。被加壓的空氣或陰極流可在進入的陰極側(cè)16之前在入口 54處通過加濕器52加濕?？尚枰畞泶_保使燃料電池堆12中的膜(未示出)保持濕潤，以提供燃料電池堆12的最佳運轉(zhuǎn)。陰極側(cè)16的輸出部56被構(gòu)造為排放過量的空氣并連接到閥58。來自凈化組件36的排放管線60可連接到閥58的下游的出口 62。在另一實施例中，排放管線可被布置到燃料電池系統(tǒng)10中的另一位置。
[0038]另外，由于凈化組件36接收來自陽極側(cè)14的流體流，因此分離器38、閥42和排放管線(即，排放導管)40、60需要針對氫氣的使用而進行設計。通常，氫氣可導致材料降解或脆化問題，因此凈化組件36中使用的材料需要與氫兼容。對于凈化組件36使用的材料的示例包括不銹鋼、聚四氟乙烯(PTFE)等。
[0039]圖2示出了用于燃料電池系統(tǒng)10的凈化組件36。分離器38具有第一上端壁80和第二下端壁82。側(cè)壁84在第一上端壁80和第二下端壁82之間延伸。第一上端壁80和第二下端壁82與側(cè)壁84限定分離室86。側(cè)壁84通常可以是圓筒壁。在其他實施例中，側(cè)壁84可呈逐漸傾斜形成為截頭圓錐形狀或其他適合的形狀。下端壁82可呈圓錐形狀、截頭圓錐形狀或其他適合的形狀，以幫助液態(tài)水從分離器38中排放。例如，下端壁82可以是凹面、碗狀或者平面。上端壁80可以是平面或者其他適合的形狀，以引導旋流。
[0040]分離器38具有入口導管88和出口導管90。入口導管88連接到燃料電池堆12的陽極側(cè)14的出口 32。入口導管88可切線地或按照其他方式連接到側(cè)壁84，以引導分離室86中液體的漩渦或旋流。在另一實施例中，入口導管88基本上垂直地連接到側(cè)壁84。出口導管90可連接到分離室86的側(cè)壁84或上壁80。出口導管90基本上可垂直地連接到分離室86的上壁80和側(cè)壁84中的一個，并且連接角度可根據(jù)其他實施例而變化。出口導管90連接到再循環(huán)回路34的通道44。對于車輛或燃料電池應用，入口導管88和出口導管90可沿著共同的軸設置?？商鎿Q地，入口導管88和出口導管90被設置成使得它們不沿著共同的軸或彼此不在一條線上，例如，入口導管88和出口導管90可沿著不同的軸設置和/或設置在不同的平面中。
[0041]排放導管40設置在下端壁82的最低點處或設置在下端壁82的最低點附近，并且排放導管40通常設置在下端壁82的中部或中部區(qū)域，或沿著分離器38的縱軸91設置。在其他實施例中，排放導管40被設置為偏離分離器38的中心，或者從分離器的縱軸91偏移。通過將排放導管40設置在分離室86的最低點處，分離室86內(nèi)的任何液體可由于重力而容易地去除。
[0042]排放導管40具有主要流道或?qū)Ч?2以及次級流道或?qū)Ч?4。主要流道92連接到下端壁82的在分離器38的最低點處的排放口 96并形成外通道或?qū)Ч?。次級流?4的外直徑小于主要流道92的內(nèi)直徑。次級流道94被嵌套或嵌入在主要流道92中，以形成內(nèi)通道或?qū)Ч?。次級流?4可與主要流道92同軸，使得它們沿著共同的縱軸98布置。流道92和94可由圓柱管或具有另一截面形狀的管制造。分隔件或隔離件(未示出)可沿著次級流道94的外表面間隔地設置，以保持主要流道92和次級流道94之間的間隔。
[0043]次級流道94延伸到分離室86中，以使次級流道94與下端壁82分開并遠離排放口96。次級流道94的入口區(qū)域100與主要流道92的入口區(qū)域102分開。在一個實施例中，沿著分離器38的縱軸和/或沿著流道92和94的縱軸98，入口區(qū)域100與入口區(qū)域102分開。
[0044]排放導管40使分離器38的下游彎曲，并且被示出為彎曲180度，但是還預想到包括S-形彎曲及其他適合的幾何形狀的其它構(gòu)造。通過使排放導管40彎曲，在排放導管40內(nèi)設置儲液槽(trap) 104。
[0045]凈化閥42連接到排放導管40并設置在儲液槽104的下游。凈化閥42將排放導管40連接到燃料電池系統(tǒng)10的排放管線60。主要流道94連接到凈化閥42。次級流道94可與凈化閥42分開，使得在排放導管40的主要流道92和次級流道94內(nèi)的液體流在到達凈化閥42之前再次結(jié)合。如圖2所示，沿著排放導管40的縱軸98，次級流道94的出口區(qū)域106與主要流道92和排放導管40的出口區(qū)域108分開。在另一實施例中，主要流道92和次級流道94均連接到凈化閥42或與凈化閥42相鄰，以使內(nèi)流道94從凈化閥42延伸至分離室86內(nèi)。
[0046]儲液槽104在凈化組件36內(nèi)提供局部的低點。儲液槽104與分離器的排放口 96和凈化閥42分開并設置在排放口 96和凈化閥42的下方。
[0047]在一個實施例中，分離器38具有將分離室86分成上漩渦室112和下收集室114的分隔物110。分隔物110可由允許液體下滴到收集室114中的篩網(wǎng)或網(wǎng)孔材料制成。分隔物110可創(chuàng)建用于發(fā)生冷凝的位置，提供平滑流動效果，和/或防止流體運動(例如，從收集室114發(fā)生的飛濺)。次級流道94的入口區(qū)域100可位于分隔物110的上方(如圖所示)、分隔物110的下方或者與分隔物位于同一位置。當入口區(qū)域100設置在分隔物110的上方并與分隔物110分開時,入口區(qū)域100還與液體收集室114分開，以防止液體進入次級流道94。在其他實施例中，分離器38不包括分隔物110并且僅具有用于分離并收集液態(tài)水兩者的單個分離室86。
[0048]來自陽極側(cè)14的流體流通過入口導管88進入分離器38，并且所述流體流包含氫氣、氮氣、水蒸氣和液態(tài)水。所述流體進入分離室86，并且側(cè)壁84或其他流動引導件引導分離室86內(nèi)的流體。流體在分離室86內(nèi)旋轉(zhuǎn)，以去除流體流中包含的液體。由旋轉(zhuǎn)的液體流產(chǎn)生的向心加速度使得較重的液滴運動到側(cè)壁84。特定尺寸以上的液滴與液體流分離，這是因為它們由于它們的動量而不能跟隨轉(zhuǎn)彎。液滴沖擊側(cè)壁84，然后重力使得液滴沿著側(cè)壁84向下并進入到收集室114中。剩余的液體(包括氫氣、氮氣、水蒸氣和較小的水滴)繼續(xù)在分離器38內(nèi)旋轉(zhuǎn)。如果更小的液滴的質(zhì)量不足以產(chǎn)生使得它們運動到側(cè)壁并撞擊側(cè)壁84的力，那么這些液滴可繼續(xù)隨流體流旋轉(zhuǎn)或轉(zhuǎn)動。然后液體流通過出口導管90流出分尚器38。
[0049]分離器38中的液態(tài)水沿著下端壁82流動并通過排放口 96進入到主要流道92中。液態(tài)水流動通過主要流道92并且可收集在儲液槽104中。在冷凍狀況期間，儲液槽104中任何收集的水可凍結(jié)成冰116，如圖2所示。在主要流道92中形成的冰可部分或完全堵塞主要流道92。
[0050]設置次級流道94使得很少或沒有液態(tài)水進入流道94。液態(tài)水可(例如)從上端壁80掉落到流道94中。液態(tài)水也可從流體在次級流道94的入口的上方直接冷凝并掉落到次級流道94中。無論哪種情況，次級流動中任何積水相對于流道94的尺寸都是無關(guān)緊要的。因此，當主要流道92由于儲液槽104中結(jié)冰而堵塞時，次級流道94對于分離器38和凈化閥42之間的流動來說都是保持打開和非鎖定的。因此，當凈化閥42打開時(例如，在凈化或排放過程期間)，當主要流道92由于結(jié)冰而堵塞時，液體流可流動通過次級流道94。在不具備主要流道92和次級流道94構(gòu)造的現(xiàn)有技術(shù)裝置中，結(jié)冰可完全堵塞分離器的排放，并且阻礙凈化或排放過程。
[0051]例如，在凈化過程期間，過量的氮從燃料電池的陽極側(cè)14被移除。當燃料電池的陽極側(cè)14中氮的局部壓力或濃度過高時，由于氫的濃度不足或者氫的局部壓力過低，使得燃料電池系統(tǒng)10的性能下降。通過凈化燃料電池的陽極側(cè)14，過量的氮被移除出燃料電池堆12的陽極側(cè)14。氫、過量的氮、以及液相水和氣相水的混合物在凈化過程期間進入分離器38。凈化閥42被打開并使得液態(tài)水、過量的氮以及氫的一部分流出分離器38的排放管線40。當主要流道92由于結(jié)冰而堵塞時，流體流的氣相部分僅通過次級流道94流動到閥42，同時液態(tài)水繼續(xù)收集在主要流道92或分離器38的底部。當主要流道92不堵塞時，流體流可流動通過主要流道92和次級流道94兩者，全部成分流動通過主要流道92，氣相成分流動通過次級流道94。流體中的一些氫和其他成分可通過分離器的出口導管90而返回至噴射器24。在出現(xiàn)高濃度氮的情況下(如當?shù)拿芏雀哂跉涞拿芏葧r)，噴射器24可能不能很好地運行。因此，通過在凈化過程期間從燃料電池的陽極側(cè)14去除過量的氮，可提高整體燃料電池的性能。
[0052]隨著時間的推移，形成在主要流道92中的冰要么由于隨著燃料電池運轉(zhuǎn)被動的加熱而融化，要么由于室內(nèi)溫度的增加而融化。當液態(tài)水存在于主要流道92中時，液態(tài)水可流出主要流道92并通過打開的閥42流出燃料電池10 (例如，在凈化過程期間)。存在于次級流道94中的任何液態(tài)水也可在凈化過程期間流出次級流道94。
[0053]圖3至圖6示出了用于凈化組件36的分離器和次級流道的不同示例。這些是各種幾何圖案和構(gòu)造的代表，并且意圖是示意性及非限制性的。
[0054]圖3示出了具有入口導管88的分離器38，入口導管88的出口區(qū)域120指引流體沿著總體向下的方向。入口導管88可切線地、垂直地或以相對于側(cè)壁84以另一角度連接到側(cè)壁84。出口區(qū)域120可延伸至分離室86中并與側(cè)壁84分開。在一些實施例中，次級流道94的入口區(qū)域100設置在入口導管88的出口區(qū)域120的上方。入口區(qū)域100設置在出口區(qū)域120和分離器的上端壁80之間，并且開口 100和120通常面向相反的方向。因此，流動到分離室86中的液體不太可能到達次級流道94的入口 100。
[0055]圖4示出了具有入口導管88的分離器38，入口導管88的突起122沿著總體向下的方向引導流體。突起122也可用于引起分離室86內(nèi)的漩渦或旋轉(zhuǎn)流。突起122連接到上壁80或與上壁80 —體地形成，并且突起122可包括斜坡124、葉片或其他復雜的表面。在一些實施例中，次級流道94的入口區(qū)域100設置在突起122的端部和分離器的上壁80之間。因此，流動到分離室86中的液體不太可能到達次級流道94的入口 100。
[0056]圖5示出了具有次級流道94的分離器38，次級流道94的入口區(qū)域100總體上面向遠離入口導管88的方向。次級流道94具有彎曲部126。根據(jù)一個實施例，彎曲部126大約為90度。在其他實施例中，彎曲部126具有大于零度的角度。入口區(qū)域100被設置為使得開口 100面向遠離入口導管88的方向。因此，流動到分離室86中的液體不太可能到達次級流道94的入口區(qū)域100。
[0057]圖6示出了具有修改的次級流道94的分離器38。帽128設置在次級流道94的入口區(qū)域的上方，從而使入口區(qū)域100密封。次級流道94具有沿著次級流道94的壁132設置的開口 130。開口 130可通過在次級流道94的兩個部分之間設置篩網(wǎng)或網(wǎng)孔而提供。開口 130也可設置為次級流道94中的狹槽或孔，以及通過機械加工或其他方式形成在次級流道94中。通過在入口區(qū)域100的上方設置帽128，防止水從上方滴落到次級流道94中。
[0058]本發(fā)明的各種實施例具有相關(guān)聯(lián)的非限制性優(yōu)點。例如，在冰凍狀況期間，來自分離器的嵌套的排放管線允許來自分離器的流體流不間斷。排放管線被彎曲，使得外導管形成用于液態(tài)水的儲液槽。允許外導管內(nèi)的任何水結(jié)冰。當外導管具有冰堵塞時，流體(包括副產(chǎn)物水蒸氣和氮)繼續(xù)流動通道內(nèi)導管。這就使得即使在冰凍狀況期間，也可進行凈化或排放過程。儲液槽中的任何結(jié)冰能夠在操作時融化，因此，雖然沒有加熱元件，但整體燃料電池效率不受影響。由于可根據(jù)需要發(fā)生凈化或排放過程，因此，燃料電池性能也不受影響。
[0059]雖然上面描述了示例性實施例，但并非意圖這些實施例描述本發(fā)明全部可能的形式。更確切地說，說明書中使用的術(shù)語是描述性詞語而非限制性詞語，并且應理解的是，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍的情況下可做出各種改變。因此，各種實施的實施例的特征可被結(jié)合，以形成本發(fā)明的進一步的實施例。
【權(quán)利要求】
1.一種燃料電池系統(tǒng)，包括: 燃料電池堆；和 凈化組件，與所述燃料電池堆流體連通，所述凈化組件包括: 分離器，限定用于接收包括流體部分和雜質(zhì)部分的再循環(huán)燃料流的腔室， 凈化閥，設置在所述分離器的下游，用于凈化來自所述燃料電池系統(tǒng)的雜質(zhì)部分， 排放導管，將所述分離器和凈化閥連接，并且排放導管具有外通道和內(nèi)通道，所述外通道連接到所述腔室的下端并形成流體儲液槽，以收集所述流體部分，所述內(nèi)通道嵌套在所述外通道中并延伸穿過所述流體儲液槽，用于將雜質(zhì)部分傳送到所述凈化閥，所述內(nèi)通道具有延伸到所述腔室中的自由端。
2.如權(quán)利要求1所述的燃料電池系統(tǒng)，其中，所述凈化組件被構(gòu)造使得所述流體部分從所述分離器的下端流動到所述外通道和流體儲液槽，從而所述流體部分在冰凍狀況期間在所述流體儲液槽內(nèi)凍結(jié)。
3.如權(quán)利要求2所述的燃料電池系統(tǒng)，其中，所述流體部分包括液態(tài)水。
4.如權(quán)利要求1所述的燃料電池系統(tǒng)，其中，所述內(nèi)通道基本上保持使流體部分自由流動，以使內(nèi)通道在冰凍狀況下為分離器和凈化閥之間的雜質(zhì)部分提供無障礙通道。
5.如權(quán)利要求4所述的燃料電池系統(tǒng)，其中，所述雜質(zhì)部分包括氮。
6.一種燃料電池凈化設備，包括: 分離器，限定用于接收包括流體和雜質(zhì)的再循環(huán)燃料流的腔室； 排放導管，包括外通道和內(nèi)通道，所述外通道連接到所述腔室并形成流體儲液槽，以收集所述流體，所述內(nèi)通道穿過所述流體儲液槽嵌入在所述外通道內(nèi)，用于將所述雜質(zhì)傳送到凈化閥，并且所述內(nèi)通道具有延伸至所述腔室中的自由端。
7.如權(quán)利要求6所述的燃料電池凈化設備，其中，所述凈化閥設置在所述分離器的下游，用于凈化所述雜質(zhì)。
8.如權(quán)利要求6所述的燃料電池凈化設備，其中，所述排放導管被彎曲大于90度，以使外通道形成所述流體儲液槽。
9.如權(quán)利要求6所述的燃料電池凈化設備，其中，所述排放導管彎曲大約180度，以使所述外通道形成所述流體儲液槽。
10.如權(quán)利要求6所述的燃料電池凈化設備，其中，所述外通道連接到所述腔室的下端，所述內(nèi)通道的自由端與所述腔室的下端分開。
【文檔編號】H01M8/24GK104253281SQ201410286241
【公開日】2014年12月31日 申請日期:2014年6月24日 優(yōu)先權(quán)日:2013年6月25日
【發(fā)明者】米洛斯·米拉西斯, 科特·大衛(wèi)·奧斯邦 申請人:福特全球技術(shù)公司