[发明专利]用于使垂直取向的集管中的浮力驱动流最少化的装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种燃料电池堆，且更具体地涉及一种设置在燃料电池堆的集管（header）中的插入装置。

背景技术

已经提出将燃料电池作为用于电动车辆和其它各种应用的清洁的、高效的且对环境负责的能源。具体地，已经将燃料电池视为用于在现代车辆中使用的传统的内燃发动机的潜在替代品。

一类燃料电池被称为质子交换膜（PEM）燃料电池。PEM燃料电池通常包括三个基本部件：阴极；阳极；以及电解质膜。阴极和阳极通常包括支撑在碳颗粒上且与离聚物混合的细分的催化剂，例如铂。电解质膜夹在阴极和阳极之间，从而形成膜电极组件（MEA）。MEA通常设置在质子扩散介质（DM）和燃料电池板之间，从而有助于电化学燃料电池反应的通常为氢和氧的气态反应物的传递。可以将单独的燃料电池串联在一起，从而形成给氢燃料电池供能的车辆供以动力的燃料电池堆。在受让人的序列号为11/622,492的共同未决的美国专利申请中描述了示意性的燃料电池堆，故通过引用将其全部公开内容并入本文。

如图1所示，已知的燃料电池堆2包括设置在干端单元6和湿端单元8之间的多个燃料电池4。每个燃料电池4包括设置在多孔DM和诸如双极板的一对燃料电池板之间的MEA。干端单元6通常设置在垂直取向的已知的燃料电池堆2的顶部或“干端”处。湿端单元8设置在已知的燃料电池堆2的底部或“湿端”处。每个燃料电池4的第一端具有形成在其集管中的进口孔，以将诸如氢或空气的气态反应物传递到燃料电池4。燃料电池4的第一端还具有形成在其集管中的出口孔，以将其它气态反应物和诸如水的反应产物从燃料电池4排出。进口孔协作以形成已知的燃料电池堆2的进口歧管10。出口孔协作以形成已知的燃料电池堆2的出口歧管12。燃料电池4还可以具有位于第一端处的冷却剂孔，其协作以形成冷却剂歧管11，以将冷却剂流体从燃料电池4传送或排放出去。应当理解的是，燃料电池堆2的第二端（未示出）还具有形成歧管的孔，以在燃料电池堆2的操作期间排放气态反应物、传送其它气态反应物以及将冷却剂流体进行传送或排放中之一。

已经观测到，在停工操作之后，已知的燃料电池堆2的温度轮廓（profile）包括与干端单元6和湿端单元8相邻的较低温度。温度轮廓主要是由于在干端单元6和湿端单元8处来自已知的燃料电池堆的热传导。温度轮廓导致进口歧管10和出口歧管12内的浮力驱动的自由对流14。温度轮廓和浮力驱动的自由对流14会在进口歧管10和出口歧管12中导致水蒸发和从较热区域向较冷区域的移动，以及在较冷区域中的冷凝。水在已知的燃料电池堆2的较冷的干端处的收集会导致在冰冻环境条件下的结冰和燃料电池4的流体端口的阻塞，和在已知的燃料电池堆2的起动期间的相关问题。

一直需要一种用于使由燃料电池堆的歧管内部的浮力驱动的对流所传输的在燃料电池堆的干端处的水累积最少化的装置。期望地，该装置减小在冰冻的环境条件下在燃料电池堆的停工期间由于结冰导致的反应物管道阻塞的风险，并且在燃料电池堆的起动期间使相关的问题最小化。

发明内容

根据本发明，意外地发现了一种用于使由燃料电池堆的歧管内部的浮力驱动的对流传输的在燃料电池堆的干端处的水累积最少化、减小在冰冻的环境条件下在燃料电池堆的停工期间由于结冰导致的反应物管道阻塞的风险并且在燃料电池堆的起动期间使相关的问题最小化的装置。

在第一实施例中，一种用于使燃料电池堆的歧管内部的浮力驱动的对流最少化的装置包括多个隔开的阻隔壁。所述隔开的阻隔壁被构造为设置在所述燃料电池堆的所述歧管内部。所述隔开的阻隔壁与所述燃料电池直接流体连通，并具有足以增大对所述浮力驱动的对流的粘滞阻力的表面积。

在另一实施例中，一种燃料电池堆包括：以堆设置的多个燃料电池；以及歧管，用于将流体传送到所述燃料电池和将流体从所述燃料电池排出中之一。一种用于使浮力驱动的对流最少化的装置设置在所述歧管内部。所述装置包括设置在所述燃料电池堆的所述歧管内部的多个隔开的阻隔壁。所述隔开的阻隔壁与所述燃料电池直接流体连通，并具有足以增大对所述浮力驱动的对流的粘滞阻力的表面积。