专利名称：燃料电池水管理的制作方法
技术领域：
本发明涉及对燃料电池内的水流量进行管理，且特别是，本发明涉 及对输水板上面的压差进行管理，从而确保在输水板上面实现所需的水流量。
背景技术：
隔板。通过在多孔板内选择适当的孔径大小，可以在实现液体输送的同 时阻止气体的输送。液体输送允许对膜进行水化作用并且使得能够除去 阴极侧上面的由于在燃料电池内进行电化学反应而生成的产物水。阻止 气体的输送则防止燃料与氧化剂气体混合到 一起。
输水板暴露于水流场中，从而保持燃料电池进行所需的工作。在电 池内的反应剂气体从低温区域流至高温区域的局部区域中，水从多孔板
上蒸发出来，从而使气体流被水蒸气饱和；在电池内的反应剂气体从高 温区域流至低温区域的局部区域中，在电化学反应生成的产物水和从冷 却的气体流中冷凝出来的液体水必须被多孔板再捕获到。在任何一种情 况下，都必须存在驱动力以使水自气体流场側移动通过输水板中的小孔 到达水流场侧，以便除去产物水。
许多燃料电池系统使用外部循环水冷却回路，所述外部循环水冷却 回路增大了燃料电池系统的重量并且在寒冷的天气条件下易于发生冻 结。在一些构型中，外部水冷却回路与隔膜相连并且被用以提供使水移 动越过输水板的驱动力。空气进口压力也作用在隔膜上面。所希望的是， 限制燃料电池中所使用的水的量从而减少与排水、泵送、冻结、和解冻 相关的问题。结果是，已经在取消外部水冷却回路方面作出了努力。所
阀门的条件下越过输水板的驱动力
发明内容一种燃料电池布置包括将空气流场与水流场分隔开的输水板。空 气流场包括空气进口和空气出口 。联接器将空气出口流体连接至水流 场。所述燃料电池可包括具有集管的贮存装置。在一个实例中，联接 器将空气出口流体连接至集管。约束被布置在所述空气出口与所述集 管之间。所述约束包括由所述空气出口提供的高压侧和暴露在所述集 管中的低压侧。所述低压侧所处的压力低于所述高压侧所处的压力。 结果是，产生越过阴极输水板的压差，所述压差提供了使水从输水板 的空气流场侧向水流场側进行移动的驱动力。在一个实例中，所述约 束由孔口提供。按照这种方式，提供一种简单的布置从而产生使来自 阴极输水板的产物水进行移动的驱动力。
图1是包括外部冷却剂回路和水贮存装置的燃料电池布置的示意
图2是带有排出口的水流场的示意图3是具有与贮存装置集管相联接的空气流场的空气出口的燃料 电池的示意图4是用于图3所示的燃料电池的阴极输水板的示意图；和 图5是与水贮存装置相联的排出口和排水装置的示意图。
具体实施例方式
图1示意性地示出了包括阳极输水板12和阴极输水板14的燃料 电池IO。电极组件16将阳极输水板12与阴极输水板14分隔开。水流 场18被布置在阳极输水板12和阴极输水板14的背面(back side)上。 水流场18对阳极输水板12和阴极输水板14进行水化作用，从而提供 所需性能。阴极输水板14响应于驱动力使产物水从空气流场移动进入 到水流场18中，从而防止产生溢流。
参见图2，图中示出了一个示例性的水流场18。水流场18可以由 在阳极输水板12和阴极输水板14的背面上切出的槽道提供。水流场18 可以由通向水流场歧管19上的排出口 22的倾斜壁部24进行限定，从 而允许夹带在水内的气体通过排出口 22排出燃料电池。
一个示例性的燃料电池10包括冷却板30，所述冷却板是实心的且
5包括用于运送冷却剂例如乙二醇的冷却剂通道。冷却板30与冷却回路 32流体连通，所述冷却回路包括用于使冷却剂循环至热交换器36以从 燃料电池10中除去热量的泵34。在该实例中，冷却回路32不运送水。 然而，本发明依然适用于采用水冷却回路的燃料电池。
返回图1，燃料电池10包括水贮存装置20，所述水贮存装置具有 位于燃料电池IO中水平面25之上的注水管线48，从而确保阳极输水板 12和阴极输水板14暴露于足够高度的水中。
参见图1和图3，燃料电池10包括接收来自鼓风机46的空气的 空气进口歧管26。空气进口歧管26向处于空气流场52中的阴极输水 板14的进口侧提供空气。空气通过空气出口歧管28排出空气流场52。 燃料电池10包括接收来自泵42的燃料的燃料进口歧管38。燃料通过 阳极输水板12中的燃料流场并且通过歧管44,返回到燃料出口歧管 40。
为了提供使在空气流场52条件下生成的产物水移动至水流场18 的驱动力，空气流场52的空气出口侧借助联接器49与水贮存装置20 的集管(head)相联接。约束50，例如孔口，被布置在阴极输水板l4 的空气出口与水贮存装置20的集管之间。约束50在空气出口侧上面 形成高压侧H且在水贮存装置20的集管处形成低压侧L。图4中示出 了约束50对阴极输水板14的作用。高压侧H与空气流场52相联且低 压侧L与水流场18相联，从而产生能够提供使产物水移动越过阴极输 水板14进入到水流场18中的驱动力的压力差。
参见图5，图中示出了与水贮存装置20相连通的排水装置51从
而当产物水在燃料电池10内积聚时，允许水从水贮存装置20中排出。 排水装置51可包括止回阀54。联接器49可包括位于约束50上游用以 防止压差大于所需压差的背压阀56。在所示实例中，背压阀56暴露于 环境空气中。
空气出口也可与采用循环水冷却回路的燃料电池增湿回路相联接。 与图3所示的布置相类似，该水回路的蒸气界面可与水贮存装置20相联接。
前面已经按照示例性的方式对本发明进行了描述，并且应该理解 本文中所使用的技术术语旨在是描述性的术语，而非限制性的术语。明 显的是，根据以上教导可对本申请作出多种变型和改变。因此，应该理解在由所附权利要求书限定的本申请的范围内，可按照在本申请所述 的方式以外的方式实践本发明。
权利要求
1、一种燃料电池布置，包括空气流场和水流场，所述空气流场具有空气进口和空气出口；和具有约束的联接器，所述联接器将空气出口流体连接至水流场，所述约束包括由所述空气出口提供的高压侧和暴露在所述水流场中的低压侧，所述低压侧所处的压力低于所述高压侧所处的压力。
2、 根据权利要求1所述的燃料电池，其中所述空气流场与所述水 流场被阴极输水板分隔开。
3、 根据权利要求2所述的燃料电池，包括向空气进口提供空气的 鼓风机，所述空气出口位于阴极上与所述空气进口的相对側上。
4、 根据权利要求1所述的燃料电池，包括与所述水流场流体连通 的贮存装置，所述水流场具有一定水位且所述贮存装置具有位于所述水 位上方的充注管线。
5、 根据权利要求4所述的燃料电池，其中所述贮存装置包括暴露 于所述低压侧中的集管。
6、 根据权利要求5所述的燃料电池，其中所述水流场包括与所述 水位相连通的排出口，用于允许所迷水流场中的气体排出。
7、 根据权利要求4所述的燃料电池，其中所述贮存装置包括位于 充注管线处或位于充注管线上方的排水装置。
8、 根据权利要求4所述的燃料电池，包括与所述集管相连通并且 暴露于低压侧和环境空气中的背压阀。
9、 根据权利要求1所述的燃料电池，其中所述约束是孔口。
10、 一种在燃料电池内对水进行管理的方法，所述方法包括以下步利用板将所述空气流场与所述水流场分隔开，所述板的至少一部分是多孔的；使空气在第一压力条件下移动通过所述空气流场； 对空气进行约束从而产生比所述第一压力更小的第二压力；并且 将所述水流场暴露在第二压力中。
11、 根据权利要求IO所述的方法，其中所述板是阴极输水板。
12、 根据权利要求11所述的方法，其中所述空气由阴极的空气流 场中的空气出口提供。
13、 根据权利要求10所述的方法，其中对空气进行约束从而产生 比所述第一压力更小的第二压力的步骤是通过使空气通过孔口的方式 而得以实施的。
14、 根据权利要求10所述的方法，其中所述水流场与具有集管的 水贮存装置流体连通，并且将所述水流场暴露在第二压力中的步骤包括 将所述集管暴露在第二压力中。
全文摘要
一种燃料电池包括将空气流场与水流场分隔开的输水板。约束上的压差产生了使水移动越过输水板流入水流场中的驱动力。所述约束被布置在阴极输水板的空气出口与贮存装置的集管之间，所述贮存装置的集管与所述水流场流体连通。
文档编号H01M8/04GK101501909SQ200680055473
公开日2009年8月5日 申请日期2006年7月25日 优先权日2006年7月25日
发明者J·P·迈尔斯 申请人:Utc燃料电池有限责任公司