专利名称：被动排水装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及燃料电池系统，更具体地说涉及用于从燃料电池系统中被动去除水的装置。
背景技术：
燃料电池已经成为电动车和各种其它用途的清洁、有效并且对环境负责的能源。 具体地说，燃料电池已经被确认作为在现代车辆中所用的传统内燃机的潜在替代者。一种燃料电池被称为质子交换薄膜(PEM)燃料电池。各个燃料电池能够串联层叠在一起以形成燃料电池堆。该燃料电池堆能够提供足以给车辆提供动力的电能。氢是非常有吸引力的燃料，因为它清洁并且能够用来有效地在燃料电池中产生出电能。氢燃料电池为包括阳极和阴极以及位于它们之间的电解质的电化学装置。阳极接收氢气，并且阴极接收氧气或空气。氢气在阳极中离解以产生出自由的质子和电子。质子穿过电解质来到阴极。来自阳极的电子不能穿过电解质，因此通过负载引导以在送到阴极之前进行工作。质子与在阴极中的氧气和电子反应以产生出水。不是所有的氢都由该电池堆消耗，一些氢作为包括水和氮的阳极废气排出。质子交换薄膜燃料电池(PEMFC)为常见的用于车辆的燃料电池、PEMFC通常包括固态聚合物-电解质质子传导薄膜，例如全氟磺酸薄膜。阳极和阴极通常包括支撑在碳颗粒上并且与离聚物混合的细粒状催化剂颗粒，通常为钼(Pt)。催化混合物沉积在该薄膜的两个相对表面上。阳极催化混合物、阴极催化混合物和薄膜的组合形成了薄膜电极组件 (MEA)。在燃料电池堆中通常组合有几个单独的燃料电池以产生出所期望的功率。对于上述汽车燃料电池堆而言，该电池堆可以包括两百个或更多的燃料电池。燃料电池堆通常包括燃料电池子系统和有助于该燃料电池堆的预处理和操作的相关装置。作为非限定实施例，装在主体内的燃料电池子系统和相关装置可以包括端板、i通道例如氢燃料和氧化剂 (02/空气)通道、冷却剂泵、再循环泵、排水阀、风扇、压缩机、阀门、电连接件、重整装置、加湿器、水蒸汽转换装置、热交换器和相关的仪表。存在于燃料电池堆和燃料电池子系统中的液态水会妨碍燃料电池堆进行最佳的操作。液态水会阻塞在燃料电池堆和燃料电池子系统内的气流，并且在燃料电池堆不操作时会冻住。一部分阳极废气可以循环流动以保持阳极化学计量且不会使用过多氢。在将冷氢注入到与阳极流体连通的所期望的阳极反应剂再循环器时，在废气中的水蒸气冷凝并且与废气分离。冰会妨碍用来从燃料电池堆中去除水和多余氮的组合排气和排水阀的操作， 从而增加了燃料电池堆的启动时间。组合排气和排水阀降低了复杂性，并且通常为燃料电池子系统的水收集部分附近，并且其中结合有排水阀。可选的是，可以使用分离阀(排气阀和排水阀)来在燃料电池系统中执行排气和排水功能。由于燃料电池堆的非操作时期延长或者由于从阴极排气，所以在燃料电池堆的阳极和燃料电池子系统中会存在多余的氢。位于燃料电池堆内的氮气导致燃料电池堆性能变差。因此，必须从该系统中将多余的氮气排出。排气阀也可以用来去除多余的氮气。冰会妨碍用来从燃料电池堆中去除氮气的排气阀的操作，从而妨碍了燃料电池堆的最佳操作。阴极废气可以用来使用水蒸汽转换装置(WVT)使得进入阴极的氧气或空气湿化。 在阴极废气中存在的液态水表示阴极过湿。在WVT暴露于液态水时，多余的水会重新导入进阴极中。为了从阴极中将水清除，可以采用旁通阀来将阴极废弃引导离开WVT。旁通阀系统通常较大，并且通常包括致动器和传感器。空气在进入WVT和阴极之前会经过压缩和冷却。在冷启动期间离开WVT的湿化气体在进入阴极之前会冷凝并且累积。最好在气体进入阴极之前去除冷凝物。去除冷凝物减小了在寒冷季节中燃料电池堆的启动时间。排水系统会占据相当大的空间，并且包括收集位置、排水阀和冷凝物液面传感器。最好生产出这样一种用于燃料电池堆的被动排水装置，其能够减小阳极反应剂再循环器的复杂性，消除了对用来从阴极废气中去除水所用的旁通阀系统的需要，并且消除了对用于进入阴极的压缩气体的冷凝物排出系统的需要。
发明内容
当前由本发明提供的是一种用于燃料电池堆的被动排水装置，该装置简化了阳极反应剂再循环器，消除了对用来从阴极废气中去除水所用的旁通阀系统的需要，并且消除了对用于进入阴极的压缩气体的冷凝物排出系统的需要。在一个实施方式中，用于接收流体流的装置包括具有形成在其中的空腔的主体， 所述主体包括入口、出口和排水装置，所述入口用于接收所述流体流；设置在所述主体的所述空腔中的内部元件，用来提高所述流体流的弯曲度；以及设置在所述排水装置附近并且与所述空腔流体连通的亲水性多孔介质，所述亲水性多孔介质阻碍了所述流体流传送穿过所述排水装置，其中所述流体流通过所述出口从所述空腔中排出。在另一个实施方式中，在燃料电池系统中用于接收流体流的装置包括具有形成在其中的空腔的主体，所述主体包括入口、出口和排水装置，所述入口用于接收所述流体流；设置在所述主体的所述空腔中的内部元件，用来提高所述流体流的弯曲度；密封设置在所述排水装置附近并且与所述空腔流体连通的亲水性多孔介质；以及设置在所述亲水性多孔介质附近的液体保持特征，其中所述亲水性多孔介质阻碍了所述流体流传送穿过所述排水装置，并且所述流体流通过所述出口从所述空腔中排出。本发明还提供了用于使得液体与液态蒸汽分离的方法。在一个实施方式中，该方法包括以下步骤提供具有形成在其中的空腔并且包括入口、入口和排水装置的主体；提供设置在所述空腔中的内部元件；提供与所述空腔流体连通的亲水性多孔介质，所述亲水性多孔介质的厚度和面积中的一个选择为阻碍流体流传送穿过排水装置；提供包括从流体源到所述入口的液体的流体流；提高所述流体流与所述内部元件的弯曲度，由此使得所述液体收集在所述空腔中；用收集在所述空腔中的所述液体浸湿所述亲水性多孔介质，由此阻碍了所述液体流传送穿过所述排水装置；通过所述排水装置将超过所述亲水性多孔介质的饱和点的所述液体排出；并且通过所述出口从所述空腔中将所述流体流排出。本发明还提供了以下方案1. 一种用于接收流体流的装置，包括
主体，所述主体具有形成在其中的空腔，所述主体包括入口、出口和排水装置，所述入口适于接收所述流体流；
设置在所述主体的所述空腔中的内部元件，其适于提高所述流体流的弯曲度；以及设置在所述排水装置附近并且与所述空腔流体连通的亲水性多孔介质，所述亲水性多孔介质阻碍了所述流体流传送穿过所述排水装置，其中所述流体流通过所述出口从所述空腔中排出。2.如方案1所述的用于接收流体流的装置，其中所述流体流包括液体，所述液体收集在所述空腔中由此使得所述亲水性多孔介质含水，超过所述亲水性多孔介质饱和点的液体通过所述排水装置离开所述空腔。3.如方案1所述的用于接收流体流的装置，其中所述亲水性多孔介质的厚度和面积中的一个选择为阻碍流体流传送穿过所述排水装置。4.如方案1所述的用于接收流体流的装置，其中所述亲水性多孔介质密封地置于所述排水装置中。5.如方案1所述的用于接收流体流的装置，其中所述亲水性多孔介质具有的孔隙尺寸为大约1至大约10微米。6.如方案1所述的用于接收流体流的装置，其中所述亲水性多孔介质为玻璃纤维毡、烧结金属、结合金属网、编织布和多孔泡沫中的一种。7.如方案1所述的用于接收流体流的装置，还包括设置在所述主体的入口中的
过滤器ο8.如方案1所述的用于接收流体流的装置，还包括设置在所述亲水性多孔介质附近的液体保持特征。9.如方案1所述的用于接收流体流的装置，其中所述主体的所述空腔适于与燃料电池系统的阳极出口流体连通。10.如方案1所述的用于接收流体流的装置，还包括与所述主体的所述空腔流体连通的水蒸气传送单元。11.如方案1所述的用于接收流体流的装置，其中所述主体的所述空腔适于与燃料电池系统的阴极入口和阴极出口中的一个流体连通。12.如方案1所述的用于接收流体流的装置，还包括与所述主体的入口和出口中的一个流体连通的中间冷却器。13. 一种在燃料电池系统中用于接收流体流的装置，包括
主体，所述主体具有形成在其中的空腔，所述主体包括入口、出口和排水装置，所述入口适于接收所述流体流；
设置在所述主体的所述空腔中的内部元件，其适于提高所述流体流的弯曲度； 密封设置在所述排水装置中并且与所述空腔流体连通的亲水性多孔介质；以及设置在所述亲水性多孔介质附近的液体保持特征，其中所述亲水性多孔介质阻碍了所述流体流传送穿过所述排水装置，并且所述流体流通过所述出口从所述空腔中排出。14.如方案13所述的用于在燃料电池系统中接收流体流的装置，其中所述流体流包括液体，所述液体收集在所述空腔中由此使得所述亲水性多孔介质含水，超过所述亲水性多孔介质饱和点的液体通过所述排水装置离开所述空腔。15.如方案13所述的用于在燃料电池系统中接收流体流的装置，其中所述亲水性多孔介质的厚度和面积中的一个选择为阻碍流体流传送穿过所述排水装置。16.如方案13所述的用于在燃料电池系统中接收流体流的装置，其中所述亲水性多孔介质具有的孔隙尺寸为大约1至大约10微米。17.如方案13所述的用于在燃料电池系统中接收流体流的装置，其中所述亲水性多孔介质为玻璃纤维毡、烧结金属、结合金属网、编织布和多孔泡沫中的一种。18.如方案13所述的用于在燃料电池系统中接收流体流的装置，其中所述主体的所述空腔适于与燃料电池系统的阳极、阴极和水蒸气传送单元中的一个流体连通。19.如方案13所述的用于在燃料电池系统中接收流体流的装置，还包括设置在所述主体的入口中的过滤器。20. 一种用于在燃料电池系统中接收流体流的方法，包括以下步骤
提供具有主体的装置，所述主体具有形成在其中的空腔并且包括入口、入口和排水装
置；
提供设置在所述空腔中的内部元件；
提供与所述空腔流体连通的亲水性多孔介质，所述亲水性多孔介质的厚度和面积中的一个选择为阻碍流体流传送穿过排水装置；
提供包括从流体源到所述入口的液体的流体流；
提高所述流体流与所述内部元件的弯曲度，由此使得所述液体收集在所述空腔中； 用收集在所述空腔中的液体使所述亲水性多孔介质含水，由此阻碍了所述液体流传送穿过所述排水装置；
通过所述排水装置将超过所述亲水性多孔介质饱和点的液体排出；并且通过所述出口从所述空腔中将所述流体流排出。
本领域普通技术人员根据附图从下面详细说明中将很容易了解本发明的上面以及其它优点，其中
图1显示出根据本发明的阳极反应剂循环系统、阴极反应剂系统和燃料电池堆的示意性流程图2显示出在图1中所示的阳极反应剂循环系统的示意性流程图； 图3显示出根据本发明另一个实施方式的阳极反应剂循环系统的示意性流程图； 图4显示出根据本发明另一个实施方式的阳极反应剂循环系统的示意性流程图； 图5显示出用于在图1中所示的实施方式的阴极入口被动排水装置的示意性侧剖视图；并且
图6显示出用于在图1中所示的实施方式的阴极出口被动排水装置的示意性侧剖视图。
具体实施例方式下面的详细说明和附图描述并且显示出本发明的各个示例性实施方式。该说明书和附图用来使得本领域普通技术人员能够制造和使用本发明，并且不是用来以任意方式限制本发明的范围。在所披露的方法中，所给出的步骤本身是示例性的，并且因此这些步骤的顺序不是必要的或者是严格的。图1显示出根据本发明实施方式的燃料电池系统10。该燃料电池系统10包括阳极反应剂系统12、燃料电池堆14和阴极反应剂系统16。阳极反应剂系统12包括燃料源18和阳极反应剂再循环器20。燃料源18通常为用来在压力下存储流体(例如氢)的存储容器，但是也可以采用其它燃料源。燃料管道22在燃料源18和燃料电池堆14之间提供流体连通。在所示的实施方式中，燃料加热器M设置在位于燃料源18和阳极反应剂再循环器20之间的燃料管道22中。燃料加热器M提高了进入阳极反应剂再循环器20的燃料的温度。阳极反应剂再循环器20包括注射器26、喷射器观、水分离器30和被动排水装置 32。阳极反应剂再循环器20使得离开燃料电池堆14的未使用燃料循环流动，去除收集在阳极反应剂再循环器20内的冷凝水，并且从阳极反应剂系统12中将污染物例如氮气排出。 注射器沈和喷射器28与燃料电池堆14的阳极入口 34流体连通。燃料电池堆14的阳极出口 36与阳极反应剂再循环器20流体连通。具有设置在其中的排出阀40的排出管道38 在阳极反应剂再循环器20和燃料电池系统10的排气口 42之间形成了流体连通。可选的是，排出管道38可以朝着阴极反应剂系统16以在燃料电池堆14的冷启动期间加热阴极。 排水管道44与被动排水装置32和排水装置42流体连通。阴极反应剂系统16包括氧化剂源46、压缩机48、中间冷却器50、水蒸汽转移单元 (WVT) 52、阴极入口被动排水装置M和阴极出口被动排水装置56。氧化剂源46通常为空气，但是也可以采用其它氧化剂源。氧化剂管道58使得氧化剂源46和燃料电池堆14之间流体连通。在某些实施方式中，可以从阴极反应剂系统16中去除中间冷却器50。中间冷却器50在氧化剂进入到燃料电池堆14的阴极入口 60和WVT 52中的一个之前升高或降低氧化剂的温度。通常将氧化剂的温度升高或降低至在燃料电池堆14中所用的冷却剂的温度。 阴极入口被动排水装置M设置在WVT 52下游的氧化剂管道58中以从中去除冷凝水。排水管道61与排水装置42流体连通以便从阴极入口被动排水装置中去除冷凝水。WVT 62在氧化剂进入到阴极入口被动排水装置M之前将氧化剂弄湿。排出流体(例如未用的氧化剂和水蒸汽)通过阴极出口 62离开燃料电池堆14，并且进入到阴极出口被动排水装置56。 在用阴极出口被动排水装置56从排出流体中去除冷凝水之后，排出流体进入到WVT 52。排水管道64与排水装置42连通以便从阴极出口被动排水装置56中将冷凝水去除。WVT 52 包括使得氧化剂管道58与排气管道68分离的可透蒸汽薄膜，从而使得排出流体能够使得进入到阴极入口 60的氧化剂湿化。图2显示出根据本发明实施方式的阳极反应剂再循环器20。所示的该阳极反应剂再循环器20包括燃料加热器M。阳极反应剂再循环器20具有形成在其中的空腔80。该空腔80和喷射器28与燃料电池堆14的阳极入口 34流体连通。阳极出口 36与再循环器入口 82流体连通。上游过滤器83可放置在再循环器入口 82中或其他可用上游位置以防止颗粒状物质进入被动排水装置32。进入阳极反应剂再循环器20的颗粒状物质会阻塞被动排水装置32，影响将水从阳极反应剂再循环器20的去除。上游过滤器83例如通过任何常规的手段例如粘结或摩擦配合与再循环器入口 82连接。任何常规的非腐蚀性材料(包括形成在其中的孔隙，例如玻璃纤维毡、烧结金属、结合金属网、编制布和多孔泡沫)可用于形成上游过滤器83。形成在上游过滤器83中的孔隙其尺寸设定为去除会堵塞被动排水装置 32或者损坏其性能的颗粒状物质。排出管道38和排水管道44与排水装置42流体连通。 可选的是，排出管道38可以朝向阴极反应剂系统16以在燃料电池堆14的冷启动期间加热阴极。阳极反应剂再循环器20可以由任意普通材料例如金属、金属合金、塑料和塑料复合材料形成。阳极反应剂再循环器20可以与燃料电池堆14的燃料电池端部装置分开或一体形成。如所示一样，阳极反应剂再循环器20包括注射器沈、喷射器观、水分离器30和被动排水装置32。注射器沈为本领域所公知的燃料注射器，其中注射器沈使得燃料源18和喷射器观之间流体连通。来自燃料源18的燃料由注射器沈输送给喷射器观的入口。喷射器28设置在注射器沈和阳极入口 ；34之间，并且包括文丘里(Venturi)通道 84。文丘里通道84包括其直径小于剩余通道部分的直径的颈部。可以采用任意普通的材料例如金属、金属合金、塑料和塑料复合材料来形成喷射器观。喷射器洲可以整体形成为燃料电池端部装置或者阳极反应剂再循环器20的一部分。例如可以采用任意普通手段例如紧固或粘接来在喷射器观单独形成时将喷射器观与阳极反应剂再循环器20中的至少一部分连接。如本领域所公知的一样，将注射器沈和喷射器观串联组合形成了喷射泵或抽吸装置。如所示一样，水分离器30在再循环器入口 82和喷射器观之间设置在阳极反应剂再循环器20的空腔80中。水分离器30可以与阳极反应剂再循环器20形成为一体。可选的是，分水装置30可以通过任意普通的手段例如紧固或粘接与阳极反应剂再循环器20分开形成并且与之连接。例如可以采用任意普通材料例如金属、金属合金、塑料和塑料复合材料来形成水分离器30。水分离器30包括多个内部元件86。如图2、3和4所示，水分离器 30包括多个间隔开并且基本上平行的导流片。水分离器30还可以包括其它导流片布置、一系列腔室、多个交互式通道、气旋分离器或任意其它类型的内部元件。被动排水装置32包括亲水性多孔介质88和液体保持特征90。亲水性多孔介质 88密封设置在阳极反应剂再循环器20的排水管道44中。空腔80、排水管道44和水分离器30与介质88流体连通。介质88可以通过任意合适的手段例如粘接或摩擦配合与阳极反应剂再循环器20连接。例如可以采用任意普通的包括形成在其中的孔隙的非腐蚀性材料例如玻璃纤维毡、烧结金属、结合金属网、编制布和多孔泡沫来形成亲水性多孔介质88。 形成在亲水性多孔介质88中的孔隙其直径通常大约为1微米至大约10微米。可以根据标准孔隙尺寸和形成在其中的孔隙的均勻性来选择形成亲水性多孔介质88的材料。如所示一样，亲水性多孔介质88为单层材料层，但是也可以采用具有标称更大孔隙尺寸的多层分层材料层。在阳极反应剂再循环器20的排水管道44中设有液体保持特征90。液体保持特征90可以与阳极反应剂再循环器20形成为一体。可选的是，液体保持特征90可以与阳极反应剂再循环器20分开形成，并且通过任意普通手段例如紧固或粘接而与之连接。可以采用任意普通的材料例如金属、金属合金、塑料和塑料复合材料来形成液体保持特征90。液体保持特征90收集并且保持着所期望量的通过排水管道44离开空腔80的冷凝水。如图 2所示，液体保持特征90具有基本上为“L”性的横截面，并且成型为与排水管道44基本上对应，但是可以采用任意的形状。排水管道44设置在阳极反应剂再循环器20附近，并且使得空腔80和排水装置42 之间流体连通。排水管道44可以一体形成为燃料电池端部装置或阳极反应剂再循环器20 的一部分。可选的是，排水管道44可以单独形成，并且可以由任意普通材料例如金属、金属合金、塑料和塑料复合材料形成。可以采用任意普通的手段例如紧固或粘接来在排水管道 44单独形成时将排水管道44与阳极反应剂再循环器20连接。如所示一样，排水管道44垂直取向。但是，也可以采用其它取向。排出管道38设置在阳极反应剂再循环器42附近，并且使得空腔80和排水装置42 之间流体连通。可选的是、排出管道38可以朝着阴极反应剂系统16以在燃料电池堆14的冷启动期间加热阴极。排出管道38可以一体形成为燃料电池装置或阳极反应剂再循环器 20的一部分，并且由任意普通的材料例如金属、金属合金、塑料和塑料复合材料形成。可以采用任意普通的手段例如紧固或粘接来在排水管道38单独形成时将排水管道38与阳极反应剂再循环器20连接。如所示一样，排水管道38包括设置在其中的排出阀40。与排出阀 40通信的控制器和致动器(未示出)如所期望的一样改变排出阀40的位置。排出阀40可以设置在打开位置、关闭位置或中间位置中。排出阀40可以为螺线管操作闸门阀，但是也可以采用其它阀类型。图3显示出与在图2中类似的本发明的另一个实施方式。在图2的说明中用于类似结构的附图标记在图3中加上了引号(’)。所示的阳极反应剂再循环器20’包括燃料加热器24’。被动排水装置92包括亲水性多孔介质94和液态保持部件96。亲水性多孔介质94密封设置在阳极反应剂再循环器 20’的排水管道44’中。空腔80，、排水管道44，和水分离器30’与介质94流体连通。介质94可以通过任意普通的手段例如粘接或摩擦配合与阳极反应剂再循环器20’连接。液体保持特征96设置在阳极反应剂再循环器20’的排水管道44’中。液体保持特征96可以与阳极反应剂再循环器20’形成为一体。可选的是，液体保持特征96与阳极反应剂再循环器20’分开形成并且通过任意普通的手段例如紧固或粘接与之连接。液体保持特征96阻碍了所期望量冷凝水通过排水管道44’离开空腔80’。如图3所示，液体保持特征96’具有基本上为矩形的横截面，并且延伸越过排水管道44’的宽度，但是可以采用任意形状。排水管道44’设置在阳极反应剂再循环器20’附近，并且使得空腔80’与排水装置(未示出)之间流体连通。排水管道44’可以一体形成为燃料电池端部装置或阳极反应剂再循环器20’的一部分。可选的是，排水管道44’可以单独形成，并且可以由任意普通材料例如金属、金属合金、塑料和塑料复合材料形成。可以采用任意普通的手段例如紧固或粘接来在单独形成排水管道44’时将排水管道44’连接在阳极反应剂再循环器20’上。如所示一样，排水管道44’基本上水平取向。但是，可以采用其它取向。图4显示出与在图2和3中所示的实施方式类似的本发明的另一个实施方式。在图2和3的说明中用于类似结构的附图标记在图4中加有双引号(，，)。如所示一样，阳极反应剂再循环器20’’不包括燃料加热器。阳极反应剂再循环器20，，的空腔80，，与燃料电池堆(未示出)的阳极入口 34，，流体连通。阳极出口 36，， 与喷射器100和排出管道38’’流体连通。可以将上游过滤器(未示出)设置在阳极出口 36’’或者其它可用上游位置中以防止颗粒状物质进入被动排水装置92’’。进入阳极反应
10剂再循环器20’，的颗粒状物质会堵塞被动排水装置92’ ’，从而妨碍从阳极反应剂再循环器20’’中将水去除。排出管道38’’和排水管道44’’与排水装置(未示出)流体连通。可选的是，排出管道38’’可以朝向阴极反应剂系统(未示出)以在燃料电池堆的冷启动期间加热阴极。注射器26’，为本领域所公知的燃料注射器，其中注射器26’，使得在燃料源(未示出)和喷射器100之间形成流体连通。注射器沈’’在再循环器入口 106附近设置在阳极反应剂再循环器中。来自燃料源的燃料由注射器26’’输送给喷射器100的入口。喷射器100设置在注射器沈，，和空腔80，，之间，并且包括文丘里通道108。喷射器100可以一体形成为燃料电池端部装置或阳极反应剂再循环器20’’的一部分。在喷射器100单独形成时，可以采用任意普通的手段例如紧固或粘接来将喷射器100连接在阳极反应剂再循环器20’’的至少一部分上。如本领域所公知的一样，将注射器沈’’和喷射器 100串联组合形成喷射泵或抽吸装置。排出管道38’ ’设置在阳极出口 36’ ’附近，并且使得阳极出口 36’ ’和排水装置(未示出)形成流体连通。排出管道38’可以朝向阴极反应剂系统以在燃料电池堆冷启动期间加热阴极。排出管道38’可以一体形成为燃料电池端部装置或阳极反应剂再循环器20’’的一部分，并且可以由任意普通的材料例如金属、金属合金、塑料和塑料复合材料形成。在单独形成排出管道38’’时，可以采用任意普通的手段例如紧固或粘接来将排出管道38’’连接在阳极反应剂再循环器20’’上。如所示一样，所述排出管道38’’包括设置在其中的排出阀40’’。与排出阀40’’连通的控制器和致动器(未示出)如所期望的一样改变排出阀 40’’的位置。阀40’’可以设置在打开位置、关闭位置或中间位置中。图5显示出与在图1、2和3中所示的类似的本发明的另一个实施方式。在图1、2 和3的说明中用于类似结构的附图标记在图5中加有三引号(’’’)。图5显示出阴极入口被动排水装置M’’’。阴极入口被动排水装置M’’’为具有形成在其中的空腔80’’’的结构。空腔80’’’形成一部分氧化剂管道58’’’。位于空腔 80’ ’ ’下游的氧化剂管道58’ ’ ’与燃料电池堆(未示出)流体连通。位于空腔80’ ’ ’上游的氧化剂管道58’ ’’通常与WVT流体连通。上游过滤器(未示出)可以设置在氧化剂管道 58’ ’ ’或其它可用上游位置中以防止颗粒状物质进入无源阴极入口被动排水装置54’ ’ ’中。 进入阴极入口被动排水装置54’，，的颗粒状物质会堵塞被动排水装置32’ ’ ’，从而阻碍从阴极入口被动排水装置M’’’中将水去除。在未示出的本发明的另一个实施方式中，位于空腔80’，，上游的氧化剂管道58’，，可以与中间冷却器(未示出)和压缩机(未示出)流体连通。排出管道61’’’与排水装置(未示出)流体连通。阴极入口被动排水装置M’’’ 可以由任意普通的材料例如金属、金属合金、塑料和塑料复合材料形成。阴极入口被动排水装置54’ ’’可以与其它部件分开形成或者可以一体形成在燃料电池堆的燃料电池端部装置内。如所示一样，阴极入口被动排水装置M’ ’ ’包括内部元件110和被动排水装置32’ ’ ’。内部元件110设置在阴极入口被动排水装置54’ ’ ’的位于其入口和出口之间的空腔80’’，中。阴极入口被动排水装置M’’，可以与内部元件110形成为一体。可选的是， 内部元件110可以单独形成并且通过任意普通的手段例如紧固或粘接与阴极入口被动排水装置54’ ’’连接。可以采用任意普通的材料例如金属、金属合金、塑料和塑料复合材料来形成内部元件110。如所示一样，内部元件110为矩形导流片。在内部元件110内还可以包括其它形状、腔室、交互式通道、气旋分离器或任意其它类型的内部元件。被动排水装置32’ ’’包括亲水性多孔介质88’ ’’和液体保持特征90’ ’ ’。亲水性多孔介质88’ ’ ’密封设置在阴极入口被动排水装置54’ ’ ’的排水管道61’ ’ ’中。空腔80’ ’ ’、 排水管道81’ ’ ’和内部元件110与介质88’ ’ ’流体连通。介质88’ ’ ’可以通过任意普通的手段例如粘接或摩擦配合与阴极入口被动排水装置54’，，连接。液体保持特征90’，，设置在阴极入口被动排水装置54’，，的排水管道61’ ’ ’中。 液体保持特征90’ ’’可以与阴极入口被动排水装置54’ ’’形成为一体。可选的是，液体保持特征90’ ’ ’可以单独形成，并且例如通过任意普通手段例如紧固或粘接与阴极入口被动排水装置54’，，连接。液体保持特征90’，，收集并且保持着所期望量的通过排水管道61’ ’ ’ 离开空腔80’’’的冷凝水。如图5所示，液体保持特征90’’’具有基本上为“L”形横截面， 并且成型为与排水管道61’ ’ ’基本上对应，但是可以采用任意形状。图6显示出与在图1、2、3和5中所示的类似的本发明的另一个实施方式。在图1、 2、3和5的说明中用于类似结构的附图标记在图6中加有四引号(’’’’)。图6显示出阴极出口被动排水装置56’ ’ ’。阴极出口被动排水装置56’，’’包括形成在其中的空腔80，，，，。空腔80，，，，形成排气管道58，，，，的一部分。位于空腔80，，，， 下游的排气管道与WVT 52’’’’流体连通。位于空腔80’’’’上游的排气管道与阴极出口 62""流体连通。上游过滤器(未示出)可以设置在阴极出口 62’ ’ ’ ’或其它可用上游位置中，以防止颗粒状物质进入阴极出口被动排水装置56’ ’ ’ ’中。进入阴极出口被动排水装置56’ ’ ’ ’的颗粒状物质会堵塞被动排水装置92’ ’ ’ ’，从而阻碍从阴极出口被动排水装置 56""中将水去除。排水管道64’ ’ ’ ’与排水装置(未示出)流体连通。阴极出口被动排水装置56’’’’可以由任意普通材料例如金属、金属合金、塑料和塑料复合材料形成。阴极出口被动排水装置56’ ’ ’ ’可以与其它部件分开形成或者可以一体形成在燃料电池堆(未示出)的燃料电池端部装置内。如所示一样，阴极出口被动排水装置56’’’’包括内部元件 110’’’，和被动排水装置92’’’。内部元件110’’’，设置在阴极出口被动排水装置56’’’’的位于其入口和出口之间的空腔80’’’’中。阴极出口被动排水装置56’’’’可以包括形成为一体的内部元件 110’ ’ ’ ’。可选的是，内部元件110’，’’可以单独形成并且通过任意普通的手段例如紧固或粘接与阴极出口被动排水装置56’’’’连接。可以采用任意普通的材料例如金属、金属合金、塑料和塑料复合材料来形成内部元件110’’’’。如所示一样，内部元件110’’’’为矩形导流片。在内部元件110’’’’内还可以采用其它形状、腔室、交互式通道、气旋分离器或任意其它类型的内部元件。被动排水装置92’ ’ ’’包括亲水性多孔介质94’ ’ ’’和液体保持特征96’ ’ ’ ’。亲水性多孔介质92’’’’密封设置在阴极出口被动排水装置56’’’’的排水管道64’’’’中。空腔80，，，，、排水管道64，，，，和内部元件110，，，，与介质94，，，，流体连通。介质94，，，，可以通过任意普通的手段例如粘接或摩擦配合与阴极出口被动排水装置56’ ’ ’ ’连接。液体保持特征96’ ’ ’ ’设置在阴极出口被动排水装置56’ ’ ’ ’的排水管道64’ ’ ’ ’中。液体保持特征96’’’’可以与阴极出口被动排水装置56’’’’形成为一体。可选的是，液体保持特征 96’’’可以单独形成，并且例如通过任意普通手段例如紧固或粘接与阴极出口被动排水装置56’ ’ ’ ’连接。液体保持特征96’ ’ ’ ’阻碍特定量的通过排水管道64’，’’离开空腔80’ ’ ’ ’
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的冷凝水。如图6所示，液体保持特征96’ ’ ’ ’具有基本上为矩形横截面，并且延伸越过排水管道64’’’’的宽度，但是可以采用任意形状。在燃料电池系统10的操作期间，阳极排气流通过阳极出口 36、36’从燃料电池堆 14中排出。阳极排气流包含未使用的燃料和副产品，例如水和氮。在排气流进入阳极反应剂再循环器20、20’的再循环器入口 82、82’时，排气流流过水分离器30、30’。在排气流流过水分离器30、30’时，内部元件86、86’或其它水收集部件阻挡着该排气流。所导致的排气流的弯曲度增大使得在排气流中的水收集在内部元件86、86’上，从而从排气流中去除水。 在水收集在水分离器30、30’上时，重力使得水从内部元件86、86’排出并且排放到阳极反应剂再循环器20、20’的内表面上。如图2所示，内部表面将水朝着被动排水装置32引导， 从而使得亲水性多孔介质88湿化并且用水充满液体保持特征90。如图3所示，内表面将水朝着被动排水装置92引导，从而将亲水性多孔介质94湿化并且用水填充由液体保持特征 96约束的一部分排水管道44’。排气流继续穿过空腔80、80，并且进入喷气泵(注射器沈、26，和喷射器观、20，)。 喷射泵便于通过利用文丘里效应吸入排气流。因此通过使用注射器26、26’和喷射器观、 28’来进行燃料和排气流的充分混合。在燃料注射和混合之后，使得排气流“循环”并且具有更高的燃料含量和更低的水含量，并且通过阳极入口 34、34’重新进入燃料电池堆14。亲水性多孔介质88、94在被水弄湿时妨碍了排气流传送穿过介质88、94。可以通过表面张力的气泡压力方法来计算出亲水性多孔介质88、94能够承受的压力。具有特定直径的孔隙的介质的气泡压力的关系可以用下面公式表示
其中，Pi泡为亲水性多孔介质88、94在含水时能够承受的最大压力；ο为水的表面张力；θ是亲水性多孔介质88、94的接触角；并且Dws为在亲水性多孔介质88、94中的孔隙的直径。作为非限定实施例，在亲水性多孔介质88、94中直径大约为2微米的孔隙产生出大约116kPa的气泡压力，并且直径大约为5微米的孔隙产生出大约46kPa的气泡压力，其中亲水性多孔介质88、94的接触角大约为30°，并且水的表面张力为0. 067N/m。亲水性多孔介质88、94的厚度或面积可以选择为在亲水性多孔介质88、94变干的情况下阻碍过多的气体传送给排水管道44、44’。亲水性多孔介质88、94可以在高温下或者在氧化剂具有相对较低的湿度时在经过一段操作时间之后变干。通过具有特定透过率的介质的流速、面积和厚度的关系可以用下面的公式表示
Q 传送=kΑΔΡ/μL
其中，Qft送为通过亲水性多孔介质88、94的体积流量；k为亲水性多孔介质88、94的透过率(孔隙尺寸和材料弯曲度的函数)；A为亲水性多孔介质88、94的面积；ΔΡ为在亲水性多孔介质88、94上的差压；μ为经过亲水性多孔介质88、94的流体的粘性；并且L为亲水性多孔介质88、94的厚度。因此，亲水性多孔介质88、94的厚度可以增大，或者可以减小暴露给空腔80、80’的亲水性多孔介质88、94的面积以降低在干燥时通过亲水性多孔介质 88,94传送的气体，且不会影响亲水性多孔介质88、94的气泡压力。亲水性多孔介质88、94的饱和点为亲水性多孔介质88、94已经吸收了它能够保存的最大量水的情况。超过介质88、94饱和点的水由液体保持特征90、96保持，直到水从液体保持特征90、96流出，并且通过排水管道44、44’离开阳极反应剂再循环器20、20’。
在燃料电池系统10经过一段非操作时期之后，氮气或其它气体扩散进入阳极反应剂系统12，并且可以从中清除以便于燃料电池系统10启动。在清除期间，将排出阀40、 40’打开，从而通过操作注射器沈、26’使得排气流能够通过排出管道38、38’排出，从而将在阳极反应剂系统12中存在的氮气或其它气体去除。另外，在燃料电池系统10的操作期间可以间歇地净化阳极反应剂系统12，以去除会影响燃料电池系统10性能的副产品。具有更高燃料含量(由于燃料注射)和更低水含量(在流经水分离器30、30’之后)的排气流可以通过阳极入口 ；34、34’重新进入燃料电池堆14。如图4所示，阳极排气流通过阳极出口 36’’从燃料电池堆(未示出)中排出。阳极排气流包含未用的燃料和副产品例如水和氮气。排气流进入到阳极反应剂再循环器20’’ 的再循环器入口 106，并且继续进入喷射泵(注射器沈’’和喷射器100)。喷射泵便于通过利用文丘里效应吸入排气流。因此通过使用注射器26’，和喷射器100进行燃料和排气流的充分混合。燃料(被加热)导致水蒸汽在排气流中存在以凝结。然后排气流流过水分离器 30’’，从而从中去除水。然后通过被动排水装置92’’从阳极反应剂再循环器20’’中去除水。具有更高燃料含量(由于燃料注射)和更低水含量(在流经水分离器30’ ’之后)的排气流可以通过阳极入口 34’’重新进入燃料电池堆。阴极入口流通过阴极入口 60进入燃料电池堆14。在氧化剂源46为大气时，阴极入口流包含水蒸气。在阴极入口流经过WVT 52时，阴极入口流得到进一步湿化。在冷启动期间，在通过压缩机48、中间冷却器50和WVT 52的阴极入口流中存在的水蒸气容易冷凝成水。如图5所示，包括水的阴极入口流然后进入阴极入口被动排水装置M’’’的空腔 80’’’。在阴极入口流流过内部元件110时，阴极入口流被阻挡。所得到的阴极入口流的更大弯曲度使得在阴极入口流中的水收集在内部元件110上，从而从阴极入口流中去除了水。在水收集在内部元件110和阴极入口被动排水装置M’ ’ ’的内表面上时，重力使得水从内部元件110和内比哦啊面中排出到亲水性多孔介质88’’’上。内表面将水朝着被动排水装置32’’’引导，从而使得亲水性多孔介质88’’’含水并且用水填充液体保持特征90’’’。 超过亲水性多孔介质88’，，的饱和点的水通过排水管道61’ ’ ’离开阴极入口被动排水装置 54'具有更少水量的阴极入口流继续穿过空腔80’ ’ ’，并且离开阴极入口被动排水装置 54'",从而继续穿过氧化剂管道58’ ’ ’至燃料电池堆14。在燃料电池堆10的操作期间，阴极出口流通过阴极出口 62、62’’’ ’离开燃料电池堆。在燃料电池堆14内产生出的水通过阴极出口流中通过阴极出口 62、62’’’’排出。如图6所示，包含水的阴极出口流然后进入阴极出口被动排水装置56’ ’ ’ ’的空腔80’ ’ ’ ’。在阴极出口流流经内部元件110’’’’时，阴极出口流受到阻挡。所得到的更大的阴极出口流的弯曲度使得在阴极出口流中的水收集在内部元件110’’’’上，从而从阴极出口流中去除水。随着水收集在内部元件110’ ’ ’ ’和阴极出口被动排水装置56’ ’ ’ ’的内表面上，重力使得水从内部元件110’ ’ ’ ’中排出。内部元件将水朝着被动排水装置92’ ’ ’ ’引导，从而使得亲水性多孔介质94’ ’ ’ ’含水。超过亲水性多孔介质94’ ’ ’ ’的饱和点的水由液体保持特征 96""保持着。超过液体保持特征96’ ’ ’ ’能够保持的量的水通过排出管道64、64’，”离开阴极反应剂系统16。具有更少量水的阴极出口流继续流过空腔80’ ’ ’ ’，并且离开阴极出口被动排水装置56’’’’，从而继续通入到WVT 52、52’’’’中。应该理解的是，被动排水装置32,32'，，、92、92，，、92，，，，消除了在排水管道44、
1444，、44，，、61，，，、64，，，，中设置阀门的必要。另外，应该理解的是，被动排水装置92，，，，消除了对笨重昂贵的阀门系统的需要，这些阀门系统用来引导阴极出口流绕过WVT 52’’’’。 被动排水装置32’’’还消除了对用来从在阴极入口流中的压缩空气中去除水的冷凝水排出系统的需要。根据本发明的被动排水装置32、32’’’、92’’、92’’’’通过需要更少的部件而简化了从阳极反应剂系统12、燃料电池堆14和阴极反应剂系统16中去除水。
本领域普通技术人员从前面的说明书中能够很容易弄清本发明的基本特征，并且在不脱离本发明的精神和范围的情况下能够对本发明作出各种变化和变型以使之适用于各种用途和情况。
权利要求
1.一种用于接收流体流的装置，包括主体，所述主体具有形成在其中的空腔，所述主体包括入口、出口和排水装置，所述入口适于接收所述流体流；设置在所述主体的所述空腔中的内部元件，其适于提高所述流体流的弯曲度；以及设置在所述排水装置附近并且与所述空腔流体连通的亲水性多孔介质，所述亲水性多孔介质阻碍了所述流体流传送穿过所述排水装置，其中所述流体流通过所述出口从所述空腔中排出。
2.如权利要求1所述的用于接收流体流的装置，其中所述流体流包括液体，所述液体收集在所述空腔中由此使得所述亲水性多孔介质含水，超过所述亲水性多孔介质饱和点的液体通过所述排水装置离开所述空腔。
3.如权利要求1所述的用于接收流体流的装置，其中所述亲水性多孔介质的厚度和面积中的一个选择为阻碍流体流传送穿过所述排水装置。
4.如权利要求1所述的用于接收流体流的装置，其中所述亲水性多孔介质密封地置于所述排水装置中。
5.如权利要求1所述的用于接收流体流的装置，其中所述亲水性多孔介质具有的孔隙尺寸为大约1至大约10微米。
6.如权利要求1所述的用于接收流体流的装置，其中所述亲水性多孔介质为玻璃纤维毡、烧结金属、结合金属网、编织布和多孔泡沫中的一种。
7.如权利要求1所述的用于接收流体流的装置，还包括设置在所述主体的入口中的过1 ' O
8.如权利要求1所述的用于接收流体流的装置，还包括设置在所述亲水性多孔介质附近的液体保持特征。
9.一种在燃料电池系统中用于接收流体流的装置，包括主体，所述主体具有形成在其中的空腔，所述主体包括入口、出口和排水装置，所述入口适于接收所述流体流；设置在所述主体的所述空腔中的内部元件，其适于提高所述流体流的弯曲度； 密封设置在所述排水装置中并且与所述空腔流体连通的亲水性多孔介质；以及设置在所述亲水性多孔介质附近的液体保持特征，其中所述亲水性多孔介质阻碍了所述流体流传送穿过所述排水装置，并且所述流体流通过所述出口从所述空腔中排出。
10.一种用于在燃料电池系统中接收流体流的方法，包括以下步骤提供具有主体的装置，所述主体具有形成在其中的空腔并且包括入口、入口和排水装置；提供设置在所述空腔中的内部元件；提供与所述空腔流体连通的亲水性多孔介质，所述亲水性多孔介质的厚度和面积中的一个选择为阻碍流体流传送穿过排水装置；提供包括从流体源到所述入口的液体的流体流；提高所述流体流与所述内部元件的弯曲度，由此使得所述液体收集在所述空腔中； 用收集在所述空腔中的液体使所述亲水性多孔介质含水，由此阻碍了所述液体流传送穿过所述排水装置；通过所述排水装置将超过所述亲水性多孔介质饱和点的液体排出；并且通过所述出口从所述空腔中将所述流体流排出。
全文摘要
本发明涉及被动排水装置。具体地，公开了一种用于从燃料电池系统中去除水的被动排水装置，该排水装置包括具有形成在其中的空腔的主体、内部元件和亲水性多孔介质。该被动排水装置用来简化阳极反应剂再循环器，消除了对用来从阴极排出气体中去除水的旁通阀系统的需要，并且消除了对用于进入阴极的压缩气体的冷凝水排出系统的需要。
文档编号H01M8/04GK102170004SQ20111003494
公开日2011年8月31日 申请日期2011年2月9日 优先权日2010年2月8日
发明者G. 格贝尔 S., H. 佩蒂特 W. 申请人:通用汽车环球科技运作有限责任公司