本公开总体涉及用于燃料电池的除水系统。
背景技术
在燃料电池操作期间，可能在燃料电池堆的阳极侧形成副产物(诸如产物水和氮)以及未消耗的氢。在某些已知的系统中，尝试控制产物水的积聚和氮的积聚以避免燃料电池性能下降和/或燃料电池系统关闭。一种已知的方案是经由燃料电池堆下游的通道释放水和氮。使用这种方案，所述通道与阀连接，以从燃料电池堆中可控地释放水和氮。在寒冷天气操作燃料电池期间，当水可能在所述通道或所述阀或燃料电池的具有较小截面面积的其他区域中冻结时，这种方案导致有发生问题的潜在可能。所造成的结冰可能导致所述通道的至少一部分堵塞并阻止流体流动(例如，水和氮的去除)，而这可能抑制燃料电池系统的功能。
为了避免在寒冷的环境条件下燃料电池分离排放口的堵塞，已经采用利用附加硬件的各种方案。例如，可以采用“清除储存器”来提供邻近于冰的敞开通道。然而，在许多情况下，由于冻结导致的水体积增加可能导致储存器出口完全堵塞，从而抑制流体的排放。
当车辆停驻在斜坡上时，冰堵塞也可能抑制流体的排放。在许多情况下，储存器出口设置在储存器的外周。当车辆停驻在斜坡上时，储存器出口处可能发生冰堵塞，从而抑制流体的排放。
技术实现要素：
一种车辆包括高电压总线和电连接到高电压总线的电动马达。所述车辆还包括电连接到高电压总线的燃料电池系统。在一些方案中，燃料电池系统包括阳极侧、阴极侧和设置在阳极侧与阴极侧之间的膜。
燃料电池系统包括燃料堆和与燃料堆流体连接的储存器。在一些方案中，储存器包括适于从燃料堆的阳极侧的输出接收氢气、氮气和水的流体混合物的入口。
储存器具有凹形的大致锥形的底壁，所述底壁向上延伸到储存器的空腔中并在储存器的空腔内形成顶点。在一些方案中，凹形的底壁的至少一部分相对于在储存器的侧壁的底部边缘之间延伸的水平面以约15度与25度之间的角度向上延伸到储存器的空腔中。
储存器还包括从储存器的侧壁延伸到储存器的空腔中的阀接纳部。在一些方案中，阀接纳部的至少一部分突出穿过所述凹形的大致锥形的底壁。
阀接纳部限定排放孔和具有靠近所述底壁的顶点设置的底部边缘的出口孔。燃料电池系统还包括与排放孔流体连通的排放管和控制阀，控制阀设置在阀接纳部内并且适于控制出口孔和排放孔之间的流体连通。
在一些方案中，在沿第一倾斜方向的第一车辆倾斜度下，水位保持在靠近所述底壁的顶点的预定高度处。在沿与第一倾斜方向相反的第二倾斜方向的第二车辆倾斜度下，水位可以保持在靠近所述底壁的顶点的预定高度处。
一种燃料电池系统可包括燃料堆和与燃料堆流体连接的储存器。储存器可具有在储存器的空腔内形成顶点的凹形的大致锥形的底壁。所述凹形的大致锥形的底壁可以相对于在储存器的侧壁的底部边缘之间延伸的水平面以约15度与25度之间的角度向上延伸到储存器的空腔中。
储存器还可以包括延伸到储存器的空腔中的阀接纳部。阀接纳部可以是延伸到储存器的空腔中的管状的阀接纳部。阀接纳部可以限定排放孔和具有设置在所述底壁的顶点处的底部边缘的出口孔。出口孔可以基本上在与由排放孔限定的平面大致正交的平面中延伸。
在一个方案中，出口孔大致是圆形的。在另一方案中，出口孔大致为三角形并且可以被定向成使得所述大致三角形的出口孔的第一角和第二角设置在所述大致三角形的出口孔的第三角的上方。
在一些方案中，阀接纳部包括在管状阀接纳部的纵向壁之间设置在储存器的空腔内的邻接表面。邻接表面可以限定出口孔。
控制阀可以设置在阀接纳部内并且可以适于控制出口孔和排放孔之间的流体连通。
用于燃料电池的除水系统可以包括与燃料电池流体连接的储存器。储存器可以具有在储存器的空腔内形成顶点的凹形的大致锥形的底壁。所述凹形的大致锥形的底壁相对于在储存器的侧壁的底部边缘之间延伸的水平面以约15度与25度之间的角度向上延伸到储存器的空腔中。
储存器还可以包括延伸到储存器的空腔中的阀接纳部。阀接纳部可以限定排放孔和具有设置在所述底壁的顶点处的底部边缘的出口孔。
除水系统还可以包括设置在阀接纳部内并适于控制出口孔与排放孔之间的流体连通的控制阀。
在沿第一倾斜方向的第一车辆倾斜度下，水位可以保持在靠近所述底壁的顶点的预定高度处。在沿与第一倾斜方向相反的第二倾斜方向的第二车辆倾斜度下，水位可以保持在靠近所述底壁的顶点的预定高度处。
附图说明
图1示出了由燃料电池系统提供动力的车辆的框图。
图2示出了燃料电池系统的示意图。
图3示出了用于燃料电池系统的分离器的示意图的透视图。
图4示出了用于燃料电池系统的分离器的示意图的截面侧视图。
图5示出了用于燃料电池系统的分离器的示意图的截面正视图。
图6示出了用于燃料电池系统的分离器的示意图的截面俯视图。
图7示出了用于燃料电池系统的替代分离器的示意图的截面侧视图。
图8示出了用于燃料电池系统的处于水平定向的分离器的示意图的截面侧视图。
图9示出了用于燃料电池系统的处于第一倾斜定向的分离器的示意图的截面侧视图。
图10示出了用于燃料电池系统的处于第二倾斜定向的分离器的示意图的截面侧视图。
具体实施方式
此描述本公开的实施例。然而，应理解公开的实施例仅为示例，其它实施例可以采用各种和替代的形式。附图无需按比例绘制；可夸大或最小化一些特征以显示特定部件的细节。因此，在此所公开的具体结构和功能细节不应解释为限制，而仅为用于教导本领域技术人员以多种形式利用本发明的代表性基础。如本领域内的普通技术人员将理解的，参照任一附图示出和描述的各个特征可与一个或更多个其它附图中示出的特征组合以产生未明确示出或描述的实施例。示出的特征的组合为典型应用提供代表性实施例。然而，与本公开的教导一致的特征的各种组合和变型可以期望用于特定应用或实施方式。
现在参照图1，车辆10可以由燃料电池系统12提供动力。燃料电池系统12可以电连接到高电压总线14。牵引电池16可以电连接到高电压总线14。电负载18可以电连接到高电压总线14。电机20可以经由功率逆变器电连接到高电压总线14。电机20可以机械地连接到传动装置22。传动装置22可以机械地连接到车辆10的驱动轮24。
燃料电池系统12可以提供电力来操作电机20以推进车辆10或执行其他车辆功能。燃料电池系统12可以产生电力，该电力可以被连接到高电压总线14的部件(例如电负载18)所消耗。由燃料电池系统12产生的电力也可以由牵引电池16储存。电机20将电能转换为旋转机械能以驱动传动装置22。传动装置22可以包括齿轮和离合器，齿轮和离合器被配置为将电机20的旋转能量转换成驱动轮24处的旋转能量。
图2作为过程流程图示出了燃料电池系统12的一种可能的配置。如本领域已知的，燃料电池系统12可以是质子交换膜燃料电池(pemfc)。燃料电池系统12可以包含燃料电池堆40。燃料电池堆40可以包括阳极侧42、阴极侧44以及二者之间的膜46。燃料电池系统12可以与(例如)高电压总线14或牵引电池16进行电连通并向高电压总线14或牵引电池16提供能量。燃料电池堆40还可以具有冷却回路(未示出)。
在燃料电池系统12的操作期间，水、诸如氢的剩余燃料和诸如氮的副产物可能积聚在燃料电池堆40的阳极侧42。燃料电池系统12可以被配置为去除液态水和副产物，并重新使用剩余的氢和水蒸气。一种方案可以是将这些成分收集在燃料电池堆40下游的储存器或分离器50中，该储存器或分离器50被配置为将液态水和/或氮的至少一部分进行分离并且经由再循环回路中的返回通道将剩余成分返回到燃料电池堆40。
主燃料源52(例如主氢源)可以连接到燃料电池堆40的阳极侧42。主氢源52的非限制性示例可以包括高压储氢罐或氢化物储存装置。主氢源52可连接到一个或更多个喷射器54。喷射器54可具有将氢供应到会聚-扩散喷嘴58的会聚部的喷嘴56。喷嘴58的扩散部可连接到阳极侧42的输入60。
阳极侧42的输出62可以连接到被动再循环回路64。通常，向阳极侧42提供过量的氢气以确保有足够的氢可用于燃料电池堆40中的所有燃料电池。换句话说，以高于1的化学计量比(即以相对于精确的电化学需求富足的燃料比)将氢提供给燃料电池堆40。设置再循环回路64使得未被阳极侧42使用的过量氢返回到输入60，因此可被使用而不会被浪费。
另外，阳极侧42输出的是积聚的液相和气相水。阳极侧42需要增湿以进行有效的化学转化并延长膜的寿命。再循环回路64可用于提供水以在阳极侧42的输入60之前加湿氢气。
再循环回路64可以包括分离器50或水分离装置(waterknock-outdevice)。分离器50接收来自阳极侧42的输出62的氢气流、氮气流和水流或氢气、氮气和水的流体混合物。水可以是混合相并包含液相和气相水两者。分离器50可以包括用于保持预定容量的水的储存器。分离器50通过控制阀68(也可以称为排放阀)去除至少一部分液相水。然后液相水可以通过排放管线66离开分离器。例如在燃料电池堆40的清除过程期间，氮气、氢气和蒸气相水中的至少一部分也可以离开并通过排放管线66。控制阀68可以与分离器50紧密地集成。事实上，如将认识到的，控制阀68可以集成在分离器50内。分离器50中的剩余流体通过再循环回路64中连接到喷射器54的通道70离开。通道70中的流体被供给到会聚-扩散喷嘴58的会聚部中，在那里它与从喷嘴56和主氢源52进入的氢混合。
可以通过分离器50从阳极侧42去除液态水，以防止阳极侧42的通道和电池内的水堵塞。燃料电池堆40内的水堵塞可能导致燃料电池堆40内的电池电压降低和/或电压不稳定。也可以通过分离器50去除液态水，以防止喷射器54内的堵塞或部分堵塞。会聚-扩散喷嘴58的扩散部中的液态水滴将在喷嘴58内有效地产生第二文丘里区段并且导致喷射器54的泵送的不稳定性。
燃料电池堆40的阴极侧44接收例如作为空气源72中的成分的氧。在一个实施例中，压缩机74由马达76驱动以加压进入的氧。然后，加压空气在进入阴极侧44之前通过加湿器78加湿。另一分离器80(以虚线示出)可以位于加湿器78的下游。分离器80可以用于在加湿空气流在输入82处进入燃料电池堆40的阴极侧44之前从加湿空气流中去除液态水。由于液体水被加湿器78内的高流率空气夹带，所以水滴可能存在于加湿器78的下游。可通过分离器80去除液态水，以防止阴极侧44的电池内的水堵塞，水堵塞导致燃料电池堆40内的电池电压降低和/或不稳定性。阴极侧44的电池堆阴极出口84连接到阀86。来自分离器50的排放管线66和来自分离器80的排放管线88可以连接到阀86下游的管线90。在其他方案中，排放管线可以被接到燃料电池系统12中的其他位置。
其他系统架构也可以用于燃料电池系统12。例如，除使用压缩机74之外，还可以使用涡轮机来引导通过阴极侧44的流。在一个示例中，涡轮机位于电池堆阴极出口84的下游，并且在阴极侧44和涡轮机之间插入分离器，以在流体流进入涡轮机之前去除液态水。
基于使用喷射器54产生通过阳极侧42的流并引导通过被动再循环回路64的流，喷射器54必须克服系统中的任何压降，该压降包括燃料电池堆40两端通常显著的压降。所示的系统12不包括用于引导再循环回路64中的流的泵或其它装置，因此所有的压缩功均由喷射器(或者被描述为喷射泵)完成。为了实现这个功能，分离器50两端可以具有低压降。分离器50可被配置为从流体中去除较大的水滴，以防止由水滴引起的燃料电池堆40的再循环流或喷射器54中的水堵塞。分离器50允许蒸气相水和较小的水滴保留在通道70中的再循环流中并返回到喷射器54用于加湿目的。在一个示例中，分离器50去除直径量级为1毫米或更大的水滴。
另外，当分离器50接收来自阳极侧42的流体流时，分离器50可被设计成与氢气一起使用。通常，氢气可能导致材料退化或脆化问题，并且分离器50中使用的材料可能是与氢兼容的。此外，氢是小分子，而许多传统的分离器装置不适合与氢一起使用，这是因为它们的设计(例如，通过常规的螺纹连接)可能允许泄漏。其他传统的分离器可能包含旋转或移动部件(诸如旋转叶片等)，其可能与氢不兼容，这是因为润滑剂可能毒化燃料电池堆，或者氢可能使润滑剂退化或分解。
分离器80还需要从流体中去除较大的水滴，以防止由燃料电池堆40的阴极侧44中的流中的水滴引起的水堵塞。分离器80允许蒸气相水和较小的水滴保留在流中以用于加湿。在一种方案中，分离器80去除尺寸与阴极侧44流场通道宽度相同或比该宽度更大的水滴。在一个示例中，阴极侧流场通道可以在0.2毫米与1.0毫米之间。
图3至图6描绘了分离器50和排放阀68的可能构造。待描述的特征与执行从燃料电池系统12积聚液态水并去除液态水的功能的分离器50相关。
分离器50包括底壁100、顶壁102以及在底壁100和顶壁102之间延伸的一个或多个侧壁104。底壁100、顶壁102和侧壁104在它们之间形成内部空腔106。
在一种方案中，顶壁102是大致平坦的顶壁。侧壁104可以形成大致圆柱形或管状主体。圆柱形主体可以具有大约75mm和100mm之间的外径，并且可以例如为大约81mm。可以预期其他合适的构造和尺寸。
底壁100和侧壁104可形成储存器，使得当分离器50竖直定向时，液态水积聚在底壁100的倾斜壁上方。
在一种方案中，底壁100是大致凹形的、大致锥形的底壁。以这种方式，底壁100可以延伸到空腔106中。在其他方案中，底壁100是延伸到空腔106中的大致凹形的、非锥形的底壁。
凹形底壁100可以在(例如)分离器50的中央区域处形成顶点110。底壁100相对于水平面以一定角度朝向顶点110延伸。例如，相对于在侧壁104的底部边缘之间延伸的水平面，底壁100可以形成大约10度至45度之间的角度，并且更具体地形成大约15度至25度之间的角度。在方案中，底壁100形成大约19.5度的角度。这里可以考虑其他合适的倾斜角度。
分离器50包括形成在分离器50中的阀接纳部120。阀接纳部120限定穿过分离器50的侧壁104布置的接收孔122。接收孔122的尺寸优选地设置为接收排放阀68。
阀接纳部120的侧壁124从接收孔122延伸到分离器50的内部空腔106中。侧壁124可形成纵向延伸到分离器50的内部空腔106中的大致圆柱形或管状主体。圆柱形主体可以具有大约20mm至45mm的外径，并且可以例如为大约35mm。可以考虑其他合适的构造和尺寸。
侧壁124的突出部126延伸穿过锥形底壁100到达底壁100下方的区域。在突出部126处，侧壁124限定流体出口，该流体出口也被称为排放孔或孔口130。当排放阀68通电时，排放孔130与排放管线66接口连接以允许流体从内部空腔106流出分离器50。
在另一种方案中，暂时参照图7，阀接纳部120穿过底壁100设置。这种方案可以允许使用“摇杆”型柱塞(“rocker”typeplunger)。在该方案中，排放阀68可以从分离器50的底部插入到阀接纳部120中。
阀接纳部120的侧壁124从接收孔122延伸到邻接表面132。邻接表面132可以是竖直定向的邻接表面。邻接表面132的与侧壁124的突出部126相邻的部分延伸穿过锥形底壁100到达底壁100下方的区域。
邻接表面132限定出口孔(也被称为出口孔口134)。出口孔134可以是穿过邻接表面132设置的竖直定向的出口孔。出口孔134可以基本上在与由排放孔130限定的平面大致正交的平面上延伸。
在一种方案中，出口孔134是圆形的。圆形出口孔可以具有大约3mm至6mm之间的直径，并且可以例如大约为5mm。
在另一种方案中，出口孔134是三角形的。三角形出口孔可以以“上下颠倒”的方位定向，使得一个角定向在另外两个角的下方。已经观察到，这样的三角形出口孔可以设置有与圆形孔相同的面积，同时在阀接纳部120的上部区域中提供更大的面积。例如，三角形出口孔的高度可以比圆形出口孔的高度高大约17％。在又一种方案中，出口孔134是椭圆形的。可以考虑其他的出口孔几何形状和尺寸。
在一种方案中，出口孔134的最下部靠近底壁100的顶点110设置。例如，出口孔134的最下部可以设置在底壁100的顶点110处。在其他方案中，出口孔134的最下部布置在底壁100的顶点110的上方或下方。
阀接纳部120可以与分离器50一体地形成，使得阀接纳部和分离器形成整体式单元。例如，可以通过诸如三维打印工艺的增材制造工艺来形成一体形成的分离器-接纳部单元。一体形成的分离器-接纳部单元可以由诸如不锈钢或铝的金属材料形成。可以考虑其他合适的材料。在其他方案中，分离器50和阀接纳部120被分别形成，并且可以组装以形成分离器-接纳部单元。
如图3所示，排放阀68可以被接纳在分离器50的阀接纳部120中。排放阀68可以是例如包括可移动活塞或柱塞的电磁阀，该活塞或柱塞被构造成在电磁阀通电或启动时进行移动。本文可以考虑其他合适的排放阀。
排放阀68可以是常闭阀。在关闭状态下，柱塞可以密封阀接纳部120的出口孔134和排放孔130之间的任何通道。在打开状态下，柱塞被定位成使得在出口孔134和排放孔130之间允许流体流动。可以使用额外的导管输送离开分离器50的水以再循环或移除。
在燃料电池操作期间，水可以收集在分离器50中。燃料电池系统12可以将分离器50内的水位控制到预定水位。在燃料电池操作期间，可能存在用于操作燃料电池系统12的优选水位。此外，在关闭期间，燃料电池系统12可以被配置为从分离器50中清除水以准备下一操作循环。水的清除还可以降低寒冷天气下冻结的风险。在燃料电池操作期间，排放阀68可以周期性地致动以允许水流出分离器50而保持优选的水位。例如，当排放阀68通电时，柱塞可以移动到打开位置。当柱塞处于打开位置时，出口孔134流体地连接到排放孔130。因此，分离器50中积聚的水可以通过出口孔134流到排放孔130。以这种方式，可以降低分离器50中的水位。
收集在分离器50中的水在冰冻天气条件下会造成问题。在低于冻结温度一段时间之后，燃料电池系统12内的水可能会冻结而形成冰。在之前的方案中，分离器中冻结的水可以堵塞出口孔并阻止水离开分离器。分离器中的冰会导致水位变得太高并最终阻碍燃料电池系统12的最佳运行。
图8描绘了当车辆10处于水平面时的分离器50。在水平定向中，水位150可以保持在预定高度，诸如在高于冻结条件期间大约处于或低于顶点110的高度。在冻结条件下，水会冻结，从而使水的体积膨胀，使得上冰位152高于顶点110的高度。观察到，即使在冻结条件期间，上冰位152仍低于出口孔134的顶部。以这种方式，在冻结条件期间当车辆10处于水平位置时，通过致动排放阀68的柱塞仍然可以从分离器50移除水。
图9描绘了当车辆10处于倾斜表面时的分离器50，该倾斜表面沿第一方向倾斜(例如，车辆10的前部面对向下斜坡)。在该第一倾斜位置中，水位150可以保持在预定高度，诸如在高于冻结条件期间大约处于或低于顶点110的高度。在冻结条件下，水会冻结，从而使水的体积膨胀，使得上冰位152高于顶点110的高度。观察到，即使在冻结条件期间，上冰位152仍低于处于第一倾斜位置的出口孔134的顶部。以这种方式，即使在冻结条件期间当车辆10处于第一倾斜位置时，通过致动排放阀68的柱塞仍然可以从分离器50移除水。
图10描绘了当车辆10处于倾斜表面时的分离器50，该倾斜表面沿与第一方向相反的第二方向倾斜(例如，车辆10的前部面对向上斜坡)。在该第二倾斜位置中，水位150可以保持在预定高度，诸如在高于冻结条件期间大约处于或低于顶点110的高度。在冻结条件下，水会冻结，从而使水的体积膨胀，使得上冰位152高于顶点110的高度。观察到，即使在冻结条件下，上冰点152仍低于处于第二倾斜位置的出口孔134的顶部。以这种方式，即使在冻结条件期间当车辆10处于第二倾斜位置时，通过致动排放阀68的柱塞仍可以从分离器50移除水。
虽然上文描述了示例性实施例，但是并不意味着这些实施例描述了权利要求包含的所有可能的形式。说明书中使用的词语为描述性词语而非限制，并且应理解在不脱离本公开的精神和范围的情况下可以做出各种改变。如前所述，可以组合各个实施例的特征以形成本发明可能未明确描述或说明的进一步的实施例。尽管各个实施例可能已经被描述为提供优点或者就一个或更多个期望特性来说优于其它实施例或现有技术实施方式，但是本领域普通技术人员应该认识到，根据具体应用和实施方式，为了达到期望的整体系统属性，可以对一个或更多个特征或特性进行折衷。这些属性可包括但不限于成本、强度、耐久性、生命周期成本、市场性、外观、包装、尺寸、可维修性、重量、可制造性、易组装性等。因此，被描述为在一个或更多个特性上不如其它实施例或现有技术实施方式合意的实施例并不在本公开的范围之外，并且可以期望用于特定的应用。