专利名称：用于燃料电池的级联式燃料进口歧管的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于燃料电池的燃料进口歧管，其中燃料流以级联的形式连续多次地均匀分开，并在燃料电池组的燃料流场进口的表面上展开，从而保证了燃料在燃料电池组的启动或瞬变操作期间同时地均匀输送至所有单个燃料电池的燃料流场。
背景技术：
用于形成流动均匀性的现有方法主要包括可将流扩展至较大区域上的扩散器或节流装置如筛网或孔板。扩散器会导致体积损失，这是因为要求有逐步的展开，以避免因核心流的分离和“喷射”而导致流动分布不良。节流装置迫使流在出口平面上重新分布，并且可以是比较紧凑的，但通常要求有无法接受的压力损失来产生必需的均匀性。无法接受的流动分布不良还会因通过进口流量分布装置的出口平面的局部“喷射”而产生，从而要求有冲击板或转向装置来提高均匀性。这类设计倾向于仅在设计点流率处才是有效的，无法在较宽的流量范围中进行。另外，在扩散器和节流型装置这两者中，由于来自进口管的流体首先横穿过流场中心附近的歧管出口平面，因此无法满足进入流体单元在整个进口歧管出口平面上同时分布和输送的要求。在瞬变状态如功率从例如50％升至接近100％的功率的期间，如果燃料流是不均匀的，那么一些电池就无法得到足够的燃料，从而导致了不良的(或者不完全的)燃料电池组性能。
发明公开本发明的目的包括提供PEM燃料电池的燃料进口，其可将一定速率的相当均匀的燃料流提供至燃料电池组中的所有燃料电池的流场中，并且可将一定量的相当均匀的燃料基本上同时地输送至燃料电池组中的各个流场；在启动和其它瞬变燃料流状态的过程中，基本上同时地提供基本上等量的燃料至燃料电池组的所有燃料流场；提高燃料电池组的耐用性；改进燃料电池的启动；改进燃料电池的瞬变响应；改进燃料电池组中的燃料流分布。
本发明部分地基于这样的认识，即尽管可将流体分开至若干等长通道中的简单管组可通过将流体输送至出口平面上的多个位置来部分地解决上述流动问题，这在稳态状况下可能是有效的，然而这种装置具有体积损失并且未解决局部“喷射”的问题，除非它具有极大数量的支管来高分辨率地分布流动。
根据本发明，燃料电池的燃料进口流量控制装置可将燃料流连续地均匀分开若干次，以便提供大量的单独流，然后使流展开，以便使燃料在通向燃料电池组中的所有流场的进入口上相当均匀地分布，这样，在启动和其它瞬变燃料流状态的过程中，燃料流瞬变在基本上相同的流率下基本上同时地接近电池组中的所有燃料电池的燃料流场。在本发明的一个公开实施例中，级联区域包括若干层级，燃料在各层级处被分开并在两个分开的方向上流动，因此，初始的单一流在级联出口通道如狭缝处形成了一定数量的流，所述数量例如为八或十六，或者任何其它合适的数量。在该实施例中，级联出口狭缝中的流撞击在平表面上，这有助于将流从出口狭缝引导至均匀地分布整个平表面上(然而该表面在其他应用中也可以是弯曲的)，并且流向朝燃料电池的燃料流场的进口转向。敞开的燃料进入腔可接受同时接近腔的整个范围的均匀燃料流，各燃料电池的燃料流场进口与该腔流体式相通，因此，燃料流中的变化同时地到达所有燃料电池中，同时有相当均匀的流进入到电池组中的所有燃料电池中。
通过使燃料均匀分布，本发明还提高了燃料电池组在正常工作期间、特别是在燃料流瞬变期间的性能。
根据对附图所示的本发明示例性实施例的以下详细描述，本发明的其他目的、特征和优点将变得更加清楚。
附图简介
图1是根据本发明的级联式燃料进口歧管的一个实施例的部分剖开的、部分断开的透视图。
图2是大致沿着图1中的线2-2的燃料流的程式化的理想示意图。
图3是大致沿着图1中的线3-3的燃料流的简化的程式化图示。
本发明的实施方式参见图1，在燃料电池组11中连续地设置了多个燃料电池。各燃料电池具有燃料流场12，其可接受燃料反应气体并使其遍及各燃料电池而分布。图1所示的燃料流场12可代表各燃料电池组的燃料流场的仅仅一部分，可以设置到达图1中右上方的迂回歧管(未示出)，其可接受流经流场12的燃料反应气体，并且可在图1所示之下设置额外的燃料流场，其中每个燃料电池一个，燃料从流场中向外流入到朝向图1左下方设置的燃料出口歧管中。燃料流场的特性和燃料出口歧管的设置与本发明不相关。
在图1中，燃料通过级联区域15的进口14而引入，燃料通过传统的燃料导管而提供至进口14中。级联区域15具有多个层级或平台17-23，它们均具有终止于一对相应通道如狭缝24-26中的上表面。如图1中的小流向箭头所示，在级联区域的各平台17-23上流体分开，使得其的大致一半将在相应平台的边缘处朝向各狭缝24-26流动。这便导致了流分布在级联出口表面上，该级联出口表面包括级联出口集管40的底面41，其在图1所示级联区域15下面的区域上延伸，并与各狭缝26流体式相通。
朝向级联出口集管40的底面41被向下引导的流在狭缝之间的区域中展开，如图2所示。在图2中，从任一狭缝26中出来的流散布开，并如图2所示地流向左右侧(流向图1所示的左上方和右下方)，以及朝着敞开腔46在图2中向上流动(流向图1中的右上方)。参见图3，来自级联出口集管40的流向右进入到敞开腔46中。当流进入到敞开腔46(图3)中时，流如图1所示地从左上方到右下方均匀地分布。然后流将进入到流场12的下部通道中，并在敞开腔46中向上流动，从而进入到流场12的上部通道中。当燃料的初始流经过级联区域、级联出口集管和敞开腔46而进入流场12时，它可形成燃料/空气(或燃料/惰性气体)界面，一定程度上如图3中的点划线/虚线所示。各燃料电池在其自身流场的所有区域中不具备相同程度的燃料渗透的事实是不相关的；重要的是，所有燃料电池在任何时间点处具有相同程度的渗透(例如如点划界面线49所示)，这种程度的燃料渗透同时发生在所有燃料电池中。
在图1中，级联区域15中的初始流分布将流多次地分开，各路径在长度和几何形状上是相同的，使得流率和压降基本上相同，启动过程中的燃料/空气界面的到达时间或瞬变状态期间的燃料流率变化在各级联出口狭缝26处基本上相同。在图1所示级联区域15的方位中，燃料流中的液态水无法聚集在通道中并形成流动截面中的不均匀部分，从而形成流动分布中的不均匀部分。然而，如果在本发明的某些应用中需要的话，则级联区域15可以正交于图1所示的方式来定向；这可通过设想使级联区域15围绕图3中的枢轴点50逆时针旋转90度来观察。然而，如果出口狭缝26用来使燃料直接流入敞开腔46中的话，则敞开腔46将必须设有挡板(类似于底面41)，或者必须显著地增加腔46的深度，以便得到如本文所示实施例中的底面41提供的所需展开。
在本文的示例中，级联区域具有三个层级；均匀地将流体分开七次，形成八股流体。然而如果需要的话，也可以使用两个(或超过三个)的层级，形成四股(或超过八股)流体。如果图1仅仅代表了燃料流场的进口侧的一部分，则燃料流场的其余部分位于图1的左上方，初始层级将流体分开，使得流体的一部分进入到进口14中(其它部分也与此类似)。
本发明使燃料/空气(或燃料/惰性气体)界面以及燃料流中的其它变化同时地到达所有燃料电池的燃料流场的进口处。这意味着，各燃料电池中的电活性之间的差异将取决于单个燃料电池的特性，而非取决于一个燃料电池比其它燃料电池接受了燃料量的更大变化的事实。而这又允许可以更均匀地控制所有电池的电位，同时降低对单个燃料电池的任何损害，减小性能的波动，增强瞬变能力，并且显著地提高燃料电池的寿命。在大多数应用中，本发明在启动过程中提供了对燃料电池的相对电压的充分控制，因此不必对燃料流场进行惰性气体清洗。在级联的各个平台上的流体撞击改善了燃料在平行于狭缝的尺寸方向上的均匀展开，而同时级联区域使燃料在正交于狭缝的尺寸方向上十分均匀地展开。燃料在级联出口40(图3)的底面41上的撞击使燃料在与狭缝不平行的尺寸方向上扩展。级联和集管阻止了因突然膨胀而产生的流“喷射”。在启动时，喷射倾向于在燃料/空气界面处混合燃料和空气，这便产生了热量和过高的电压，并因混合物的可燃特性而产生了对安全性的危害。在传统歧管设计的操作中，瞬变状态导致了在燃料流进口处的不良流动分布。该不良分布会造成电池性能下降。然而，通过本发明的歧管，可在瞬变状态期间保持对所有燃料流场而言的均匀流。
本发明的燃料进口歧管可用在除PEM燃料电池组以外的燃料电池组中。
权利要求书(按照条约第19条的修改)4.一种具有连续燃料电池阵列的燃料电池组，各所述燃料电池具有带流场进口的燃料流场，所述燃料电池组包括用于从供应源中提供燃料流的装置；位于与所述流场进口流体式相通的腔中的表面；与所述供应源流体式相通并可接受所述燃料流的多个孔，所述孔基本上正交于所述表面来引导所述燃料，从而使来自各所述孔的燃料流改变方向，沿着所述表面全方向地展开，并经过所述腔进入到所述流场进口中。
权利要求
1.一种具有连续燃料电池阵列的燃料电池组(11)，各所述燃料电池具有带流场进口(14)的燃料流场(12)，所述电池组包括燃料进口歧管系统，其包括具有一系列层级(17-23)的级联区域(15)，各层级具有表面，所述表面在其相对边缘处终止于通道(24-26)中，除了所述系列中的最后一个层级以外，各层级的各通道将燃料引至所述系列中的下一层级的表面上，所述系列中的最后一个层级的通道将燃料引导到级联出口表面(41)上，使得燃料在不平行于所述通道的尺寸方向上展开；和敞开腔(46)，其设置在所述流场进口与所述级联出口表面之间。
2.一种具有连续燃料电池阵列的燃料电池组(11)，各所述燃料电池具有带流场进口(14)的燃料流场(12)，所述燃料电池组包括用于从供应源中提供燃料流的装置；装置(15)，其用于以次数为n地将所述燃料流基本上均等地连续分成两股基本上同时的流，以提供n+1股的流，所述次数为至少三次；和装置(41)，其用于将燃料从所述n+1股的流中展开，以便将单股相当均匀的燃料流提供至所述流场进口。
3.一种提供燃料至具有连续燃料电池阵列的燃料电池组(11)中的方法，各所述燃料电池具有带流场进口(14)的燃料流场(12)，所述方法包括从供应源中提供燃料流；以次数为n地将所述燃料流基本上均等地连续分成(15)两股基本上同时的流，以提供n+1股的流，所述次数为至少三次；和将所述燃料从所述n+1股的流中展开(41)，以便将单股相当均匀的燃料流提供至所述流场进口。
全文摘要
将燃料提供至具有多个层级(17－23)的级联区域(15)的进口(14)中，各层级将燃料流均匀地分开到一对相应的狭缝(24－26)中。燃料流然后在级联出口集管(40)的底面(41)上展开，流展开到狭缝之间的区域中。然后流被引导至与燃料电池的燃料流场(12)的进口流体式相通的敞开腔中，并且均匀地和同时地到达燃料流场的进口。
文档编号F15D1/14GK1689179SQ03823989
公开日2005年10月26日 申请日期2003年9月17日 优先权日2002年10月10日
发明者J·H·怀顿, T·J·安德松, R·J·古特里 申请人:Utc燃料电池有限责任公司