專利名稱：質(zhì)子交換膜燃料電池組入口水調(diào)節(jié)系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種燃料電池組，并更特別地涉及包括用于阻止液體水進(jìn)入該燃料電 池組的燃料電池的系統(tǒng)的燃料電池組。
背景技術(shù)：
燃料電池能量系統(tǒng)將燃料和氧化劑(反應(yīng)物)轉(zhuǎn)換成電能。其中一種燃料電池能 量系統(tǒng)使用質(zhì)子交換膜(PEM)催化地促進(jìn)這種燃料(例如氫)和氧化劑(例如空氣或氧氣) 的反應(yīng)從而產(chǎn)生電能。水是電化學(xué)反應(yīng)中的副產(chǎn)物。所述PEM是一種固體聚合物電解質(zhì)， 其可以促進(jìn)燃料電池組的每一個單獨的燃料電池中的質(zhì)子從陽極向陰極的轉(zhuǎn)移，這種燃料 電池組一般配備在燃料電池能量系統(tǒng)中。在典型的燃料電池組件中，各個單獨的燃料電池包括帶有通道的燃料電池板，不 同的反應(yīng)物和冷卻流體流過所述通道。各燃料電池板可以例如是單極性的。雙極性板可以 通過組合多個單極性板而形成。氧化劑通過陰極入口集管被提供至陰極，而燃料通過陽極 入口集管被提供至陽極。水從多個通道向出口集管的運動通常由通過燃料電池組件的反應(yīng) 物的流動所導(dǎo)致。邊界層的剪力和反應(yīng)物的壓力輔助運送水通過這些通道，直到水通過出 口集管從燃料電池中流出。一種膜-電解質(zhì)-組件(MEA)被設(shè)置在相繼的板之間以促進(jìn)電化學(xué)反應(yīng)。所述 MEA包括陽極、陰極以及位于兩者之間的電解質(zhì)膜。多孔擴散介質(zhì)(DM)位于MEA的兩側(cè)來 促進(jìn)用于電化學(xué)燃料電池反應(yīng)的反應(yīng)物的傳送。在燃料電池的多個通道中累積的水能夠?qū)е氯剂想姵匦阅艿耐嘶?。特別的，累積的 水導(dǎo)致各個燃料電池板中以及在燃料電池組件內(nèi)部的反應(yīng)物流分布不均，從而能夠造成電壓 的不穩(wěn)定并致使電極退化。此外，運行后殘留在燃料電池中的水在低于冷凍的溫度下可以固 化并造成燃料電池重啟過程中的困難。在通道區(qū)域中累積的水包括電化學(xué)反應(yīng)中作為副產(chǎn)物 的水、累積在反應(yīng)物入口流動路徑內(nèi)部表面上的液體水以及反應(yīng)物流中攜帶的水。多種技術(shù)已經(jīng)被采用來控制燃料電池中的累積水。這些技術(shù)包括例如增壓清除、 重力流動以及蒸發(fā)。此外，例如還采用了促進(jìn)水從燃料電池中的多個通道區(qū)域輸送到燃料 電池組件的排出區(qū)域的水輸送結(jié)構(gòu)和表面涂層?？刂评鄯e水的方法通常集中于將已經(jīng)累積 在燃料電池通道中的水進(jìn)行移除并需要附加的操作步驟和/或多個燃料電池的部件。已知 這種附加的操作步驟和多個部件能夠降低燃料電池的運行效率并增加制造燃料電池的成 本。累積在入口流動路徑內(nèi)表面上的液體水和反應(yīng)物流中所攜帶的水增加了對使用能夠便 于從燃料電池的通道移除水的不同技術(shù)、傳送結(jié)構(gòu)以及表面涂層的需要。因此期望生產(chǎn)一種成本有效的燃料電池組件，其能夠最小化燃料電池中的累積水 以及為了促進(jìn)將水從燃料電池中移除所需的部件數(shù)量。

發(fā)明內(nèi)容
與本發(fā)明兼容且協(xié)調(diào)地，已經(jīng)驚喜地發(fā)現(xiàn)了一種成本有效的燃料電池組，其能夠最小化燃料電池中的累積水以及為了促進(jìn)將水從燃料電池中移除所需的部件數(shù)量。 在一個實施例中，一種用于燃料電池組的流體調(diào)節(jié)系統(tǒng)包括向反應(yīng)物氣體提供通 向燃料電池組中的燃料電池的流動路徑的流體入口 ；形成于流體入口并適于收集流經(jīng)所述 流體入口的液體的流體收集構(gòu)件；以及與流體收集構(gòu)件流體連通從而提供用于將液體從流 體收集構(gòu)件排出的流動路徑的流體導(dǎo)管。在另外一個實施例中，一種燃料電池組組件包括第一端板和隔開的第二端板；位 于所述第一端板和第二端板之間的至少一個燃料電池；向反應(yīng)物氣體提供通向所述至少一 個燃料電池的流動路徑的流體入口 ；形成于流體入口內(nèi)并適于收集流經(jīng)所述流體入口的液 體的流體收集構(gòu)件；與流體收集構(gòu)件流體連通從而提供用于將液體從流體收集構(gòu)件排出的 流動路徑的流體導(dǎo)管；以及位于所述流體導(dǎo)管中以控制流經(jīng)所述流體導(dǎo)管的反應(yīng)物氣體流 的限流器。在另一個實施例中，一種調(diào)節(jié)液體水流入燃料電池的方法，包括以下步驟，提供第 一端板和隔開的第二端板；在所述第一端板和第二端板之間提供至少一個燃料電池；提供 與所述至少一個燃料電池流體連通的流體入口從而向所述至少一個燃料電池提供反應(yīng)物 氣體流；在形成于流體入口中的流體收集構(gòu)件中收集在流體入口中流動的液體；以及將液 體從流體收集構(gòu)件中排出。本發(fā)明還提供了以下方案方案1. 一種用于燃料電池組的流體調(diào)節(jié)系統(tǒng)，包括流體入口，所述流體入口為反應(yīng)物氣體提供到達(dá)燃料電池組中的燃料電池的流動 路徑；流體收集構(gòu)件，其形成于所述流體入口中并適于收集流經(jīng)所述流體入口的液體； 以及流體導(dǎo)管，所述流體導(dǎo)管與所述流體收集構(gòu)件流體連通從而提供用于將所述液體 從所述流體收集構(gòu)件排出的流動路徑。方案2.根據(jù)方案1的系統(tǒng)，還包括位于所述流體導(dǎo)管中的限流器以控制流經(jīng)所述 流體導(dǎo)管的反應(yīng)物氣體流。方案3.根據(jù)方案2的系統(tǒng)，其中所述限流器是噴嘴、毛細(xì)作用材料以及親水性多 孔元件中的一種。方案4.根據(jù)方案2的系統(tǒng)，其中所述限流器將通過所述流體導(dǎo)管的反應(yīng)物氣體流 限制到少于流過所述流體入口的總反應(yīng)物氣體流的約1%。方案5.根據(jù)方案1的系統(tǒng)，其中所述流體入口包括在其中形成的彎曲部分，以便 于在所述流體入口的內(nèi)表面上收集流過所述流體入口的所述液體。方案6.根據(jù)方案1的系統(tǒng)，其中所述流體入口的至少一部分被定向在水平位置以 便于在所述流體入口的內(nèi)表面上收集流過所述流體入口的所述液體。方案7.根據(jù)方案1的系統(tǒng)，還包括多孔元件，其位于所述流體入口中并有效地從流經(jīng)所述流體入口的所述反應(yīng)物氣 體中收集液體水，所述反應(yīng)物氣體在流進(jìn)燃料電池之前先流過所述多孔元件；第二流體收集構(gòu)件，其形成于所述流體入口中并適于接收由所述多孔元件收集的 液體；以及
第二流體導(dǎo)管，其與所述第二流體收集構(gòu)件流體連通從而提供用于將液體從所述 第二流體收集構(gòu)件中排出的流動路徑。方案8.根據(jù)方案7的系統(tǒng)，其中所述多孔元件是親水性材料和憎水性材料中的一 種。方案9.根據(jù)方案7的系統(tǒng)，包括位于所述第二流體導(dǎo)管中的第二限流器以控制流 經(jīng)所述第二流體導(dǎo)管的反應(yīng)物氣體流，其中所述第二限流器是噴嘴、毛細(xì)作用材料和親水 性多孔元件中的至少一種。方案10.根據(jù)方案9的系統(tǒng)，其中所述第二限流器將通過所述第二流體導(dǎo)管的反 應(yīng)物氣體流限制到少于流過所述流體入口的總反應(yīng)物氣體流的約1%。方案11.根據(jù)方案1的系統(tǒng)，其中所述流體入口是陽極入口和陰極入口中的一個。方案12. —種燃料電池組組件，包括第一端板和隔開的第二端板； 至少一個燃料電池，其位于所述第一端板和第二端板之間；流體入口，其為反應(yīng)物氣體提供到達(dá)所述至少一個燃料電池的流動路徑；流體收集構(gòu)件，其形成于流體入口中并適于收集流經(jīng)所述流體入口的液體；流體導(dǎo)管，其與所述流體收集構(gòu)件流體連通從而提供用于將所述液體從所述流體 收集構(gòu)件中排出的流動路徑；以及限流器，其位于所述流體導(dǎo)管中以控制流經(jīng)所述流體導(dǎo)管的反應(yīng)物氣體流。方案13.根據(jù)方案12的燃料電池組組件，其中所述限流器是噴嘴、毛細(xì)作用材料 以及親水性多孔元件中的一種。方案14.根據(jù)方案12的燃料電池組組件，其中所述流體收集構(gòu)件是在形成所述流 體入口的表面中形成的并圍繞該表面的槽。方案15.根據(jù)方案14的燃料電池組組件，其中所述槽基本上是V型的。方案16.根據(jù)方案12的燃料電池組組件，還包括多孔元件，其位于所述流體入口中并有效地從流經(jīng)所述流體入口的所述反應(yīng)物氣 體中收集液體水，所述反應(yīng)物氣體在流進(jìn)燃料電池之前先流過所述多孔元件；第二流體收集構(gòu)件，其形成于所述流體入口中并適于接收由所述多孔元件收集的 液體；以及第二流體導(dǎo)管，其與所述第二流體收集構(gòu)件流體連通并提供用于將液體從所述第 二流體收集構(gòu)件中排出的流動路徑。方案17.根據(jù)方案16的燃料電池組組件，其中所述多孔元件是親水性材料和憎水 性材料中的一種。方案18.根據(jù)方案16的燃料電池組組件，包括位于所述第二流體導(dǎo)管中的限流器 以控制流經(jīng)所述第二流體導(dǎo)管的反應(yīng)物氣體流，其中所述限流器是噴嘴、毛細(xì)作用材料和 親水性多孔元件中的至少一種。方案19. 一種調(diào)節(jié)液體水流入燃料電池的方法，包括以下步驟提供第一端板和隔開的第二端板；提供至少一個燃料電池，其位于所述第一端板和第二端板之間；提供流體入口，其與所述至少一個燃料電池流體連通以將反應(yīng)物氣體流提供到所述至少一個燃料電池；將在所述流體入口內(nèi)流動的液體收集在形成于所述流體入口中的流體收集構(gòu)件 里；以及將液體從所述流體收集構(gòu)件中排出。方案20.根據(jù)方案19的方法，還包括以下步驟提供多孔元件，其位于所述流體入口中并有效地從流經(jīng)所述流體入口的所述反應(yīng) 物氣體中收集液體水，所述反應(yīng)物氣體在流進(jìn)燃料電池之前先流過所述多孔元件；在第二流體收集構(gòu)件中接收由所述多孔元件收集的液體水，該第二流體收集構(gòu)件 形成于所述流體入口中；以及將液體從所述第二流體收集構(gòu)件中排出。


以上所述的內(nèi)容以及本發(fā)明的其他優(yōu)點，通過接下來的詳細(xì)說明、特別是結(jié)合之 后的附圖進(jìn)行考慮，對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說將會是顯而易見的。圖1是根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的燃料電池組的示意橫截面正視圖；圖2是圖1中所示區(qū)域A的局部放大橫截面圖，其描述了本發(fā)明的另一個實施例；圖3是圖1中所示區(qū)域A的局部放大橫截面圖，其描述了本發(fā)明的另一個實施例； 以及圖4是圖示了本發(fā)明另外一個實施例的燃料電池組的示意橫截面正視圖。
具體實施例方式接下來的說明其實質(zhì)僅僅是示范性的，并不對本發(fā)明及其應(yīng)用或者使用進(jìn)行限 制。應(yīng)該理解的是在整個附圖中，相應(yīng)的參考標(biāo)號指代相似的或者相應(yīng)的部分和特征。圖1示出了一種根據(jù)本發(fā)明一個實施例的燃料電池組件10。該燃料電池組件10 包括位于端板14，16之間的多個堆疊的燃料電池12。每一個燃料電池12包括入口開口 18 和出口開口 20。多個燃料電池12相堆疊，其中每一個燃料電池12的入口開口 18和出口開 口 20分別與相鄰燃料電池12的入口開口 18和出口開口 20大致對齊。每一個燃料電池12 的入口開口 18共同地構(gòu)成入口集管22，每一個燃料電池12的出口開口 20共同地構(gòu)成出口 集管24。舉例說明，入口集管22適于向多個燃料電池12提供來自于燃料源(未示出)的 諸如燃料(例如氫)的反應(yīng)物流，或者提供來自于氧化劑源(未示出)的氧化劑(例如空 氣或氧氣)。所示出的燃料電池組件10描述了陽極入口集管和陽極出口集管(對于燃料) 以及陰極入口集管和陰極出口集管(對于氧化劑)。端板14包括在其中形成且與所述入口集管22流體連通的入口 26，以及在端板14 中形成且與所述出口集管24流體連通的出口 28。供應(yīng)導(dǎo)管30提供從反應(yīng)物源到端板14 的入口 26的流體連通。所述供應(yīng)導(dǎo)管30，端板14的入口 26以及入口集管22形成從反應(yīng) 物源到多個燃料電池12的流動路徑或流體入口。應(yīng)該理解的是所述燃料電池組件10通常 包括與形成在端板中的冷卻劑入口流體連通的冷卻劑入口集管，以及與形成在端板中的冷 卻劑出口流體連通的冷卻劑出口集管。所述供應(yīng)導(dǎo)管30可以包括彎曲部分31。該彎曲部 分促進(jìn)水42和供應(yīng)導(dǎo)管30的內(nèi)表面相接觸從而形成水膜44。應(yīng)該理解的是所述供應(yīng)導(dǎo)管可以在其中形成流動路徑，該流動路徑具有基本上圓形的、橢圓的、矩形的或其他期望橫截 面形狀以促進(jìn)水42和供應(yīng)導(dǎo)管30的內(nèi)表面相接觸。所述供應(yīng)導(dǎo)管30可以被定向為利用 重力來促進(jìn)水42和供應(yīng)導(dǎo)管30的內(nèi)表面相接觸。例如，可為所述供應(yīng)導(dǎo)管30的流動路徑 提供基本上矩形的形狀，其中至少部分供應(yīng)導(dǎo)管30被定向在水平的位置。所述基本上矩形 的形狀的較短的邊被定向在豎直的位置以最小化為了接觸所述供應(yīng)導(dǎo)管30的內(nèi)表面水42 在引力作用下所必須下落的距離。將通過供應(yīng)導(dǎo)管30的流動路徑的橫截面面積設(shè)置成維 持期望的反應(yīng)物流并且最小化流經(jīng)所述供應(yīng)導(dǎo)管30的反應(yīng)物的壓降。進(jìn)一步的，應(yīng)該理解 的是通過所述導(dǎo)管30的所述流通路徑的橫截面面積可以被最大化，從而最小化流經(jīng)所述 流動路徑的反應(yīng)物的速度。該最小化的速度促進(jìn)水42通過引力作用和所述供應(yīng)導(dǎo)管30下 水平內(nèi)表面相接觸。流體收集構(gòu)件32形成于形成端板14的入口 26的表面中。在所描述的實施例中， 所述流體收集構(gòu)件32基本上是一個V形的槽，其上游邊緣34和下游邊緣36形成在所述形 成入口 26的表面中并圍繞該表面。應(yīng)該理解的是所述槽可以具有其他的形狀，例如方形的 槽。流體導(dǎo)管38形成于端板14內(nèi)部從而提供流體收集構(gòu)件32和排水導(dǎo)管(未示出)之 間的流體連通。在流體導(dǎo)管38中提供限流器40 (例如噴嘴)來調(diào)節(jié)通過所述導(dǎo)管38的流 體流。使用時，反應(yīng)物被致使從反應(yīng)物源通過供應(yīng)導(dǎo)管30、端板14上的入口 26以及入 口集管22流進(jìn)多個燃料電池12。所述反應(yīng)物可包括攜帶在其中的水42，水42可以聚集并 在所述供應(yīng)導(dǎo)管30、入口 26以及入口集管22的內(nèi)表面上形成水膜44。反應(yīng)物的流動能夠 沿著供應(yīng)導(dǎo)管30和入口 26的內(nèi)表面朝向入口集管22推進(jìn)水膜44。當(dāng)水膜44被朝向入 口集管22推進(jìn)時，水膜44流經(jīng)流體收集構(gòu)件32的上游邊緣34并被收集在流體收集構(gòu)件 32中。流體收集構(gòu)件32的下游邊緣36適于防止水膜44被推出流體收集構(gòu)件32并向入口 集管22前進(jìn)。在所描述的實施例中，該下游邊緣36基本上與形成入口 26的內(nèi)部表面相垂 直。應(yīng)該理解的是該下游邊緣36相對于形成入口 26的內(nèi)表面能夠具有其他的方向。進(jìn)一 步的，該下游邊緣36能夠包括從該下游邊緣向外延伸的突緣、形成在該下游邊緣中的凹槽 或者適于防止水膜44被推出流體收集構(gòu)件32并向入口集管22前進(jìn)的任何其它合適構(gòu)件。流經(jīng)供應(yīng)導(dǎo)管30和入口 26的反應(yīng)物的流體壓力向收集在流體收集構(gòu)件中的水膜 44提供驅(qū)動力，使其流經(jīng)流體導(dǎo)管38到達(dá)排水導(dǎo)管。一部分反應(yīng)物可能也會流過該流體導(dǎo) 管38，這減少了供應(yīng)至多個燃料電池12的反應(yīng)物的量。限流器40最小化流經(jīng)流體導(dǎo)管38 的反應(yīng)物流，從而最小化能繞過所述多個燃料電池12并流入排水導(dǎo)管的反應(yīng)物的量。限流 器40能適于將流經(jīng)流體導(dǎo)管38的反應(yīng)物流限制到少于流經(jīng)供應(yīng)導(dǎo)管30的總反應(yīng)物流的 約1%，同時仍然致使收集在流體收集構(gòu)件32中的水膜44流經(jīng)所述流體導(dǎo)管38并進(jìn)入排 水導(dǎo)管。應(yīng)該理解的是可以在流體導(dǎo)管38中配置致動閥來有選擇地控制流經(jīng)所述流體導(dǎo) 管的流體流。流體導(dǎo)管38和限流器40在控制陰極入口集管中的水方面是特別有效的，其 中有一小部分陰極反應(yīng)物(通常是氣態(tài)的空氣或氧氣)繞過所述多個燃料電池12基本上 是可以接受的。所述流體收集構(gòu)件32的容量可以被選擇為使其能夠容納期望量的水膜44 并防止水膜44流過流體收集構(gòu)件32。 流體收集構(gòu)件32通過收集位于導(dǎo)管30和入口 26的內(nèi)表面上的水膜，從而最小化 進(jìn)入多個燃料電池12的液體水的量。最小化進(jìn)入多個燃料電池12的液體水的量能夠最小化在燃料電池中的水的累積，累積水能夠擾亂通過所述燃料電池的反應(yīng)物流。通過最小化 對通過多個燃料電池12的反應(yīng)物流的擾亂，電壓穩(wěn)定性以及燃料電池組的高效運行可以 被最大化。此外，通過最小化多個燃料電池12中的液體水的累積，在燃料電池組件10的低 溫運行期間(例如啟動期間)在燃料電池中形成結(jié)冰水的可能性也被最小化。多個燃料電 池12中的結(jié)冰水能夠擾亂反應(yīng)物的流動，并由于與水結(jié)冰相關(guān)聯(lián)的體積膨脹通過在MEA部 件上施加增大的壓縮力從而導(dǎo)致MEA的部件的退化。因此，最小化被多個燃料電池12接收 的水膜44的量能夠最小化擾亂通過所述燃料電池的反應(yīng)物流且導(dǎo)致MEA的部件的退化的 結(jié)冰水的可能性。進(jìn)一步的，通過最小化進(jìn)入多個燃料電池12的水膜44的量，燃料電池組 件10中適于控制和/或?qū)⒁后w水從多個燃料電池12中移除的多個過程及部件能夠省略或 者最少化。省略或最少化這些過程及部件能夠最小化制造所述燃料電池組件10的成本和/ 或用于所述燃料電池組件10所需的部件數(shù)量，并能夠最大化所述燃料電池組件10的運行 效率。圖2描述了本發(fā)明的一個可替換實施例。清楚起見與圖1中相似的結(jié)構(gòu)采用相同 的參考標(biāo)號并帶有上撇號(’)。在所示的實施例中，毛細(xì)作用元件50位于流體導(dǎo)管38’中， 該元件防止反應(yīng)物流經(jīng)所述流體導(dǎo)管38’進(jìn)入排水導(dǎo)管。在流體收集構(gòu)件32’中收集的液 體水通過毛細(xì)作用力流經(jīng)該毛細(xì)作用元件50。液體水流經(jīng)該毛細(xì)作用元件50并隨后繼續(xù) 流經(jīng)流體導(dǎo)管38’至排水導(dǎo)管。采用所述毛細(xì)作用元件50來防止反應(yīng)物繞過所述多個燃 料電池12’而流經(jīng)所述流體導(dǎo)管38’。所述毛細(xì)作用元件50特別適合于控制陽極入口集 管中的水，在陽極入口集管中通常期望最小化繞過多個燃料電池12’的反應(yīng)物(通常是氫 氣)的量。在某些應(yīng)用中，例如當(dāng)反應(yīng)物的流體壓力超過所述毛細(xì)作用元件50的臨界流體 壓力時，毛細(xì)作用元件50可以允許超出期望量的那部分反應(yīng)物繞過多個燃料電池12’并流 進(jìn)排水導(dǎo)管。典型的毛細(xì)作用元件50的臨界流體壓力值被期望在大約IOkPa到20kPa之 間。正如圖3中所示，在所使用反應(yīng)物氣體的流體壓力超過了毛細(xì)作用元件50的臨界流體 壓力的燃料電池組件10’中，毛細(xì)作用元件50能夠被一系列的兩個或更多相間隔的親水性 多孔元件60所代替。每一個親水性多孔元件60在其兩側(cè)提供選定的壓差。這一系列的多 個親水性多孔元件60適于防止反應(yīng)物氣體穿過所述親水性多孔介質(zhì)，同時允許液體水通 過所述親水性多孔介質(zhì)。通常，多個親水性多孔元件60通過液體水被保持足夠的濕潤，從 而在其兩側(cè)保持所需的壓差。相應(yīng)的，包括所述多個親水性多孔元件60的流體導(dǎo)管38’的 至少一部分能夠被定向在水平位置以促進(jìn)將液體水保持在該流體導(dǎo)管中，從而使得多個親 水性多孔元件60保持足夠的濕潤。進(jìn)一步的，提供至所述多個親水性多孔元件60的液體水 可以例如來源于從出口集管流出的排放物中所攜帶的液體水和/或其他適合的液體水源。 應(yīng)該理解的是，圖1和圖2中分別描述的限流器40和毛細(xì)作用元件50，以及所述親水性多 孔元件60能夠單獨地或者以它們的任意組合的方式在流體導(dǎo)管38’中被采用，以此來阻礙 反應(yīng)物繞過多個燃料電池12’。圖2-圖3中描述的實施例的其余結(jié)構(gòu)和功能基本上與圖1 中所描述實施例的結(jié)構(gòu)和功能相同。 圖4描述了本發(fā)明另一可替換的實施例。清楚起見與圖1中相似的結(jié)構(gòu)采用相同 的參考標(biāo)號并帶有上撇號(’)。在圖4中，多孔元件70位于端板14’的入口 26’中并位于 流體收集構(gòu)件32’的下游。在所描述的實施例中，該多孔元件70基本上是錐形的構(gòu)件，其外圍緊靠形成入口 26’的表面，其中反應(yīng)物被致使在被入口集管22’接收之前先通過該多 孔元件70。應(yīng)該理解的是對于所述多孔元件70能夠采用其他的形狀，例如基本上是平面的 構(gòu)件或其他適合的曲線形狀，上述兩種情況中的每一種可以包括例如波浪形的表面。多孔 元件70可以由親水性的材料、憎水性的材料或適于收集攜帶于反 應(yīng)物中的水42’的任何其 它適合材料形成。提供第二流體收集構(gòu)件72，其位于多孔元件70的上游，例如在供應(yīng)導(dǎo)管 30’的內(nèi)部。其中由多孔元件70收集的液體水被所述第二流體收集構(gòu)件72所接收。提供 與所述第二流體收集構(gòu)件72流體連通的第二流體導(dǎo)管74以用于將收集在所述第二流體收 集構(gòu)件72中的液體水排出至排水導(dǎo)管(未示出)。第二限流器76(例如噴嘴)被配置在所 述第二流體導(dǎo)管74中以調(diào)節(jié)流經(jīng)所述第二流體導(dǎo)管74的液體流。在使用時，反應(yīng)物被致使從反應(yīng)物源通過供應(yīng)導(dǎo)管30’、端板14上的入口 26’以及 入口集管22’進(jìn)入多個燃料電池12’。反應(yīng)物能夠包括攜帶于其中的水42’，水42’可以在 供應(yīng)導(dǎo)管30’、入口 26’以及入口集管22’的內(nèi)表面上聚集并形成水膜44’。正如圖1所示 實施例中所討論過的，流體收集構(gòu)件32’和流體導(dǎo)管38’相互協(xié)作以防止供應(yīng)導(dǎo)管30’和 入口 26’的內(nèi)表面上的水膜44’被多個燃料電池12’接收。反應(yīng)物在被多個燃料電池12’接收之前被致使先通過多孔元件70。當(dāng)反應(yīng)物通過 多孔元件70時，攜帶在反應(yīng)物中的水42’被多孔元件70收集起來，這樣可以最小化進(jìn)入多 個燃料電池12’的水42’。應(yīng)該理解的是所述多孔元件70能夠由具有選定的水收集特性的 材料形成以向進(jìn)入多個燃料電池12’的反應(yīng)物提供所需的最大相對濕度。進(jìn)一步的，多孔 元件70能夠由對流經(jīng)其中的液體流具有選定阻力的材料形成以在所述多孔元件70的兩側(cè) 提供期望的流體壓力變化從而促進(jìn)形成進(jìn)入多個燃料電池12’的反應(yīng)物的期望流動分布。由多孔元件70收集到的液體水通過地心引力排入第二流體收集構(gòu)件72。此外，可 在供應(yīng)導(dǎo)管30’的內(nèi)表面上聚集并形成水膜44’的反應(yīng)物中攜帶的水42’也可以被收集在 第二流體收集構(gòu)件72中。第二流體收集構(gòu)件72的容量能夠被選定為可以容納所期望量的 液體水并防止收集在其中的水(不管是液體還是固體的形式)影響通過供應(yīng)導(dǎo)管30’的反 應(yīng)物流。在燃料電池組件10’的運行期間，當(dāng)反應(yīng)物的相對濕度低于選定的最大濕度時，水 可以從多孔元件70和/或第二流體收集構(gòu)件72蒸發(fā)進(jìn)入反應(yīng)物。流過供應(yīng)導(dǎo)管30’的反應(yīng)物的流體壓力向第二流體收集構(gòu)件72中的液體水提供 驅(qū)動力使其流經(jīng)第二流體導(dǎo)管74并到達(dá)排水導(dǎo)管。一部分反應(yīng)物也可以流經(jīng)第二流體導(dǎo) 管74，這樣就減少了供應(yīng)至多個燃料電池12’的反應(yīng)物的量。第二限流器76最小化流經(jīng)第 二流體導(dǎo)管74的反應(yīng)物流，從而最小化繞過多個燃料電池12’并流入排水導(dǎo)管的反應(yīng)物的 量。第二限流器76能夠適于將流經(jīng)第二流體導(dǎo)管74的反應(yīng)物流限制到少于流經(jīng)供應(yīng)導(dǎo)管 30’的總反應(yīng)物流的約1%，同時仍然致使收集起來的液體水流入排水線路。應(yīng)該理解的是 可以在第二流體導(dǎo)管74中配置致動閥來有選擇地控制流經(jīng)第二流體導(dǎo)管的流體流。應(yīng)該 理解的是圖2和圖3中所分別描述的毛細(xì)作用元件50和親水性多孔元件60，能夠單獨地或 者以相互組合以及與第二流體導(dǎo)管74中的第二限流器76組合的形式被應(yīng)用以阻礙反應(yīng)物 繞過多個燃料電池12’。多孔元件70、第二流體收集構(gòu)件72以及流體收集構(gòu)件32’最小化和/或調(diào)節(jié)進(jìn) 入多個燃料電池12’的水的量。多孔元件70、第二流體收集構(gòu)件72以及流體收集構(gòu)件32’ 還促使進(jìn)入多個燃料電池12’的水形成均勻分布。圖4所描述的實施例的其余結(jié)構(gòu)和功能基本上與之前在圖1-圖3中所描述實施例的結(jié)構(gòu)和功能相同。 用來描述本發(fā)明的主要的且有代表性的實施例及其細(xì)節(jié)已經(jīng)被示出，對于本領(lǐng)域 的技術(shù)人員來說，在不偏離本發(fā)明范圍的情況下所進(jìn)行的各種改進(jìn)是顯而易見的，其將在 后面 的權(quán)利要求書中進(jìn)行說明。
權(quán)利要求
1.一種用于燃料電池組的流體調(diào)節(jié)系統(tǒng)，包括流體入口，所述流體入口為反應(yīng)物氣體提供到達(dá)燃料電池組中的燃料電池的流動路徑；流體收集構(gòu)件，其形成于所述流體入口中并適于收集流經(jīng)所述流體入口的液體；以及 流體導(dǎo)管，所述流體導(dǎo)管與所述流體收集構(gòu)件流體連通從而提供用于將所述液體從所 述流體收集構(gòu)件排出的流動路徑。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的系統(tǒng)，還包括位于所述流體導(dǎo)管中的限流器以控制流經(jīng)所述流體 導(dǎo)管的反應(yīng)物氣體流。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的系統(tǒng)，其中所述限流器是噴嘴、毛細(xì)作用材料以及親水性多孔元 件中的一種。
4.根據(jù)權(quán)利要求2的系統(tǒng)，其中所述限流器將通過所述流體導(dǎo)管的反應(yīng)物氣體流限制 到少于流過所述流體入口的總反應(yīng)物氣體流的約1%。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的系統(tǒng)，其中所述流體入口包括在其中形成的彎曲部分，以便于在 所述流體入口的內(nèi)表面上收集流過所述流體入口的所述液體。
6.根據(jù)權(quán)利要求1的系統(tǒng)，其中所述流體入口的至少一部分被定向在水平位置以便于 在所述流體入口的內(nèi)表面上收集流過所述流體入口的所述液體。
7.根據(jù)權(quán)利要求1的系統(tǒng)，還包括多孔元件，其位于所述流體入口中并有效地從流經(jīng)所述流體入口的所述反應(yīng)物氣體中 收集液體水，所述反應(yīng)物氣體在流進(jìn)燃料電池之前先流過所述多孔元件；第二流體收集構(gòu)件，其形成于所述流體入口中并適于接收由所述多孔元件收集的液 體；以及第二流體導(dǎo)管，其與所述第二流體收集構(gòu)件流體連通從而提供用于將液體從所述第二 流體收集構(gòu)件中排出的流動路徑。
8.根據(jù)權(quán)利要求7的系統(tǒng)，其中所述多孔元件是親水性材料和憎水性材料中的一種。
9.一種燃料電池組組件，包括 第一端板和隔開的第二端板；至少一個燃料電池，其位于所述第一端板和第二端板之間； 流體入口，其為反應(yīng)物氣體提供到達(dá)所述至少一個燃料電池的流動路徑； 流體收集構(gòu)件，其形成于流體入口中并適于收集流經(jīng)所述流體入口的液體； 流體導(dǎo)管，其與所述流體收集構(gòu)件流體連通從而提供用于將所述液體從所述流體收集 構(gòu)件中排出的流動路徑；以及限流器，其位于所述流體導(dǎo)管中以控制流經(jīng)所述流體導(dǎo)管的反應(yīng)物氣體流。
10.一種調(diào)節(jié)液體水流入燃料電池的方法，包括以下步驟 提供第一端板和隔開的第二端板；提供至少一個燃料電池，其位于所述第一端板和第二端板之間； 提供流體入口，其與所述至少一個燃料電池流體連通以將反應(yīng)物氣體流提供到所述至 少一個燃料電池；將在所述流體入口內(nèi)流動的液體收集在形成于所述流體入口中的流體收集構(gòu)件里；以及 將液體從所述流體收集構(gòu)件中排出。
全文摘要
本發(fā)明涉及質(zhì)子交換膜燃料電池組入口水調(diào)節(jié)系統(tǒng)。提供一種燃料電池組件，其包括位于反應(yīng)物流體導(dǎo)管中的流體收集構(gòu)件，該流體收集構(gòu)件阻礙流體導(dǎo)管內(nèi)表面的液體水進(jìn)入燃料電池組件的燃料電池中。
文檔編號H01M8/04GK102044687SQ20101051096
公開日2011年5月4日 申請日期2010年10月15日 優(yōu)先權(quán)日2009年10月15日
發(fā)明者J·M·基奧岡, J·P·奧維詹, S·G·戈貝爾, T·A·特拉博爾德 申請人:通用汽車環(huán)球科技運作公司