专利名称：用于车辆的燃料电池的公共分配装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于车辆的燃料电池的公共分配装置，更具体地涉及在所有条件下、例如车辆加速、减速和倾斜时可容易地从堆中排水的用于车辆的燃料电池的公共分配装置。
背景技术：
如本领域所公知的，燃料电池是一种利用燃料的电化学反应将化学能转化成电能而产生电力的装置，是一种不污染环境的装置且具有高的电力生产率。
燃料电池从外界获取氢气和空气以进行电化学反应，并排出反应后剩余的气体。
单独设置冷却液管道以防止堆被放热反应在催化剂区域产生的热和分离板(separation plate)的焦耳热加热。
通常，通过堆积大约四百个分离板以供应所需电压到例如电机的各种驱动装置上的装置称为堆(或燃料电池堆)，为了方便维修，大部分燃料电池堆都通过分离的具有大约一百个分离板的子堆形成。
每个子堆都具有空气进/出口、氢气进/出口和冷却液进/出口的六个口。在堆组件通过结合四个子堆形成时，应该形成二十四个口。
如果这些口由各个管道形成，则会损害工作效率，并且在连接部分具有漏水的危险。考虑到这些因素，大部分堆都使用通过在块形堆上打孔形成的分配装置，并使用该打孔空间作为流体通道。
然而，这种分配装置具有问题，其设计应该根据子堆的数量和位置变化。
在背景技术部分公开的上述信息只是为了增加对发明背景的理解，其包括不构成本领域技术人员已知的现有技术的信息。
发明内容
本发明力图提供一种用于车辆的燃料电池的公共分配装置，其中四个子堆所需的二十四个口最优地与外界元件相连，水在例如车辆加速、减速和倾斜的所有条件下很容易从堆中排出。
本发明的一个实施例提出一种用于车辆的燃料电池的公共分配装置，其中构成空气供应部分和空气排出部分的第一模块和第二模块布置在堆中下方，构成氢气供应部分和氢气排出部分的第三模块和第四模块布置在堆中上方，这样在车辆加速、减速和倾斜时流体可均匀地从堆中排出。
堆中空气供应管道和氢气供应管道可形成I形，流体可供应到I形的中心部分。
堆可具有四个子堆，每个子堆具有六个口。
堆可具有排水道，以防止在车辆倾斜时停止操作。
空气供应部分和空气排出部分以及氢气供应部分和氢气排出部分的管道可布置成彼此不重叠。
氢气供应部分和空气供应部分可包括线性部分和弯曲部分。
堆中氢气供应管道和空气供应管道的其中一个可形成I形，氢气供应管道和空气供应管道的另一个可形成菱形。
图1是表示根据本发明实施例的用于车辆的燃料电池的公共分配装置的附图。
图2是表示将流体供应到根据本发明实施例的用于车辆的燃料电池的公共分配装置的方式的附图。
图3是表示成形在根据本发明实施例的用于车辆的燃料电池的公共分配装置上的空气和氢气的进/出口的附图。
图4是表示在根据本发明实施例的用于车辆的燃料电池的公共分配装置上设置排水道的状态的附图。
图5A和图5B是表示在车辆横向倾斜时，根据本发明实施例的用于车辆的燃料电池的公共分配装置的排水道中变化的附图。
图5C和图5D是表示在车辆行驶和纵向倾斜时，根据本发明实施例的用于车辆的燃料电池的公共分配装置的排水道中变化的附图。
图6是表示根据本发明实施例的用于车辆的燃料电池的公共分配装置的流体管道的形状的附图。
图7是表示根据本发明实施例的用于车辆的燃料电池的公共分配装置避免流体分配管道重叠的一个实例的附图。
图8是表示根据本发明实施例的用于车辆的燃料电池的公共分配装置避免流体分配管道重叠的另一个实例的附图。
图9是表示根据本发明实施例的用于车辆的燃料电池的公共分配装置的通道的附图。
图10是表示根据本发明实施例的用于车辆的燃料电池的公共分配装置的管道连接形状的附图。
图11是表示根据本发明实施例的用于车辆的燃料电池的公共分配装置的附图。
具体实施例方式
下面结合附图详细说明本发明的实施例。
图1是表示根据本发明实施例的用于车辆的燃料电池的公共分配装置的附图。图2是表示将流体供应到根据本发明实施例的用于车辆的燃料电池的公共分配装置的方式的附图。图3是表示成形在根据本发明实施例的用于车辆的燃料电池的公共分配装置上的空气和氢进/出口的附图。图4是表示在根据本发明实施例的用于车辆的燃料电池的公共分配装置上设置排水道的状态的附图。图5A和图5B是表示在车辆横向倾斜时，根据本发明实施例的用于车辆的燃料电池的公共分配装置的排水道中变化的附图。图5C和图5D是表示在车辆行驶和纵向倾斜时，根据本发明实施例的用于车辆的燃料电池的公共分配装置的排水道中变化的附图。图6是表示根据本发明实施例的用于车辆的燃料电池的公共分配装置的流体管道的形状的附图。图7是表示根据本发明实施例的用于车辆的燃料电池的公共分配装置避免流体分配管道重叠的一个实例的附图。图8是表示根据本发明实施例的用于车辆的燃料电池的公共分配装置避免流体分配管道重叠的另一个实例的附图。图9是表示根据本发明实施例的用于车辆的燃料电池的公共分配装置的通道的附图。图10是表示根据本发明实施例的用于车辆的燃料电池的公共分配装置的管道连接形状的附图。图11是表示根据本发明实施例的用于车辆的燃料电池的公共分配装置的附图。
在大部分模块形燃料电池堆中，流体通过公共分配装置供应或排出。
由于堆中产生的水或外界加湿的水，所以公共分配装置的空气侧或氢气侧保持非常湿润，且经验证明实际上在堆中发生许多冷凝。
如果冷凝水没有被去除且进入堆中，则其会阻碍反应气体的供应并减少有效的反应区域面积，从而对驱动形成严重危险。
完全去除冷凝水是非常重要的，其直接关系到冷启动的可能性，而冷启动是燃料电池车经常需要的。这是因为如果在燃料电池停止工作后残留在系统中的水冷却了，则会限制该系统的正常工作。
公共分配装置对于为各个模块均匀分配流体量同时保持整个系统的压力降低于特定值起着很重要的作用。
原因在于如果公共分配装置中的压力太低，则位于上方的空气压缩机的容量需进一步提高，这会增加系统的电能损耗。
对于压力条件优化为大于2bar的堆来说，满足这种压力下降限制条件的公共分配装置可容易地设计出。也就是说，如果流体通道的宽度变窄，则流量和稳定性范围增加，这样可容易地保持模块中的均匀分配，即使流体通道不对称。
然而，对于在大气压力下工作的堆来说，应该这样设计公共分配装置，即使其不影响整个系统的压力下降。在这种情况下，还很难保持模块中的均匀分配。
本发明提出一种公共分配装置的设计，其可应用于大气压型堆且具有适应于车辆行驶状态的排水功能。
在本发明中，车辆行驶状态例如为(i)车辆加速和减速，(ii)在停车期间没有动力的状态下自然排水，(iii)车辆倾斜，等等需要考虑的。
首先，如图1和2所示，说明考虑了(i)车辆加速和减速而设计的公共分配装置。
在车辆加速或减速期间，由于公共分配装置中流体的惯性，分配到各个模块中的流体量彼此不同。
在第一模块和第二模块位于前面、第三模块和第四模块位于后面的类型中，在车辆加速期间，在第一和第二模块中出现供应短缺，在第三和第四模块中出现供应过剩。另一方面，在车辆减速时，在第一和第二模块中出现供应过剩，在第三和第四模块中出现供应短缺。
然而，如果如图1所示第一模块1和第二模块2定位在下方，第三模块3和第四模块4定位在上方，且流体按图2中箭头所示方向供应到中心部分，则分配到各个模块1、2、3和4中的流体量相同。
下面参见图3和4说明在停车期间没有动力的状态下，公共分配装置利用排水道5自然排水。
在车辆行驶期间，在空气侧或氢气侧冷凝的水会在空气或氢气的惯性作用下与空气或氢气一起去除。
为了在停车期间没有动力的状态下去除堆中所有的水，水在重力作用下通过排水道5自然排出。
在本发明的实施例中，通过改变公共分配装置的流体通道，形成即使在没有动力的状态下水也可自然排出的排水道5。
另外，潮湿度相对大的空气进口和空气出口位于模块的下部，这样在空气侧供应或排水期间形成的大部分冷凝水可通过排水道5排出。
其间，由于氢气位于车辆上部，在泄漏时很容易散发，从而提高了安全性。由于这个原因，使氢气在模块上部供应和排出。也就是说，实现如下的进口/出口方式。
下面说明考虑了车辆倾斜状态的公共分配装置。
车辆在上坡或下坡行驶时会发生严重倾斜。
如果不考虑斜坡行驶时排出堆100中水的方案，则会出现车辆在斜坡上行驶时熄火的非常危险的状况。
然而如图4、5A和5B所示，排水道结构的倾斜角度大于车辆的倾斜设计标准，这样在车辆横向倾斜时水仍然可以自然排出公共分配装置。因此，即使在车辆倾斜时水仍然可以排出。
另外，如图5C和5D所示，在车辆纵向倾斜时，例如在斜坡上行驶的情况下，公共分配装置的排水功能仍然可以通过相同结构的排水道5实现。
对于公共分配装置的上述结构，空气管道、氢气管道和冷却液管道的形状为字母I形，流体在字母I形的中心供应或排出。
然而，各个子堆需要六个口，包括四个子堆的堆组件需要二十四个口。在这种情况下，如果全部口都按字母I的形状，则流体通道不可避免的要重叠。
其间，当流体分流时，分流的流体量根据压力降自动确定。
在图6所示形状的情况下，由于在方向(a)上的压力降大于在方向(b)上的压力降，所以沿方向(b)流动的流体量多于沿方向(a)流动的流体量。
有一些实例，即如果管的尺寸非常小则可不考虑长度差异。然而，在这种情况下，会出现较多的压力损失。
因此，由于上述原因，优选地公共分配装置的流体通道在中心部分出现分支。
下面说明在根据本发明实施例的燃料电池的公共分配装置中，通过定位空气进口、空气出口、氢气进口和氢气出口四个管道避免重叠同时保持最小体积和均匀分流的方法。
如图7所示，氢气进口8从一个供应管道分出四个分支，从而与四个模块相连，在反应后剩余的氢气通过一排出管道从四个模块中排到外界。
类似地，空气进口6从一个供应管道分出四个分支，从而将空气供应到四个模块中，并且空气通过一空气排出管道从四个模块中排到外界。
对分配具有很大影响的氢气进口和空气进口管道按如下方式布置。
空气进口6和氢气进口8分别从下部和上部供应空气和氢气，分配在侧部进行，因此不可避免地具有弯曲部分11。
在这种情况下，由于流体的惯性，更多的流体供应到管道径向外侧部分。
因此，设置线性部分10以减小由于流体在弯曲部分11的转动而造成的流体的影响。同时，线性部分10越长，越能提高分配特性。
在这种布置结构下，空气和氢气可较好地供应到第一、第二、第三和第四模块1、2、3和4的四个模块中。
然而，如果排出管道不对称，则由于如上所述总长度的差异会损害分配特性。
其间，在本发明的实施例中，为了提高在空气和氢气进口侧的分配特性，需要使用堆100的大量必要空间。
从四个模块中排出的空气或氢气首先在两个管道中集合，然后再在一个管道中集合。如果这种形状重复使用，则会不可避免地出现重叠。
然而弯曲管道以避免重叠，则不能保证分配特性，且在堆中设置弯曲管道的空间不够。
如上所述，图7表示通过弯曲部分管道形成的公共分配装置的情况。
如图中所示，通过弯曲管道，会损坏第一、第二、第三和第四模块1、2、3和4的分配特性。
虽然这个问题可以通过减小管道尺寸解决，但是会造成较大的压力降，所以这种方式不适于大气压力型系统。
根据说明结果，在堆为80KW额定功率的条件下，只有在空气管道中形成0.12bar的压力，当在堆本身中、增湿器中和其他管道中的压力下降时，这个压力降是很严重的。
在1.3bar压力下操作的堆的公共分配中允许的压力降大约是0.06bar。
因此，本发明按下述方式解决上述问题。
也就是说，如图8所示，流体通道的一侧形成I形，另一侧形成从I形变化的菱形，这样可以在保持对称时避免流体通道的重叠。由于保持了对称形状，所以可提高与流体通道整个长度有关的分配特性。
结果，由于空气出口7和氢气出口9对称布置，所以可增加空气进口6和氢气进口8的线性部分的长度，同时可在中心部分形成分支。
图9是表示按图8所示方式设计的避免分配管道彼此重叠的公共分配装置的管道的附图，图10是表示通过结合图9所示管道形成公共分配装置的空气、氢气和冷却液供应/排出管路的方法的附图，图11是表示可安装在车辆上的燃料电池的公共分配装置的附图，其中空气进口、氢气进口、空气出口和氢气出口四个管道按可避免重叠的结构布置，从而它们可布置在最小体积中且能均匀分流。
已经通过具体实施例说明了本发明，可以理解本发明不限于所公开的实施例，相反本发明可覆盖保护在权利要求书限定的构思和范围内的各种变形和等同结构。
根据本发明实施例的车辆燃料电池的公共分配装置，流体可在所有条件下、例如车辆加速、减速和倾斜时均匀地从堆中排出，从而可以保持最佳操作条件。
权利要求
1.一种用于车辆的燃料电池的公共分配装置，其特征在于构成空气供应部分和空气排出部分的第一模块和第二模块布置在堆中下方，构成氢气供应部分和氢气排出部分的第三模块和第四模块布置在堆中上方，这样在车辆加速、减速和倾斜时流体可均匀地从堆中排出。
2.根据权利要求1的公共分配装置，其特征在于堆中空气供应管道和氢气供应管道形成I形，流体供应到I形的中心部分。
3.根据权利要求1的公共分配装置，其特征在于堆具有四个子堆，每个子堆具有六个口。
4.根据权利要求1的公共分配装置，其特征在于堆具有排水道，以防止在车辆倾斜时停止操作。
5.根据权利要求1的公共分配装置，其特征在于空气供应部分和空气排出部分以及氢气供应部分和氢气排出部分的管道布置成彼此不重叠。
6.根据权利要求5的公共分配装置，其特征在于氢气供应部分和空气供应部分包括线性部分和弯曲部分。
7.根据权利要求1或5的公共分配装置，其特征在于堆中氢气供应管道和空气供应管道的其中一个形成I形，氢气供应管道和空气供应管道的另一个形成菱形。
全文摘要
一种用于车辆的燃料电池的公共分配装置，构成空气供应部分和空气排出部分的第一模块和第二模块布置在堆中下方，构成氢气供应部分和氢气排出部分的第三模块和第四模块布置在堆中上方，这样在车辆加速、减速和倾斜时流体可均匀地从堆中排出。
文档编号H01M8/04GK1978240SQ200610143730
公开日2007年6月13日 申请日期2006年11月3日 优先权日2005年12月9日
发明者成容琎 申请人:现代自动车株式会社