抗冻结燃料电池冷凝器制造技术

被蒸发地冷却的燃料电池堆(50)的阴极排气在热交换器(12a、23、23a)中冷凝，所述热交换器具有延伸的翅片(14、25a)或者管(24、24a)用以阻止冷凝物的汇聚，并且/或者使冷凝器的整个出口表面成为亲水的且用芯材(32)来将水导走。阴极排气流动路径可以是垂直的或者水平的，它们可以被部分地或者完全地制成亲水的，并且如果这样的话，则与冷凝器的亲水端表面液体连通，并且冷凝器(49)可以相对于地球的重力倾斜离开正常取向。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】抗冻结燃料电池冷凝器
冷凝热交换器，比如适合于用于采用蒸发冷却的燃料电池系统中的那些，具有被汇聚的冷凝物堵塞的趋势，所述汇聚的冷凝物随着阴极排气流在燃料电池系统的关闭期间或者在低动力操作期间的减少而蓄积。在寒冷气候中，在低阴极流动时闭塞冷凝物路径的水可能冻结，从而阻塞穿过阴极的空气流的路径，并妨碍后续启动。冷凝物的汇聚由以下方法阻止：a)使板-翅片型热交换器的翅片延伸超出板；或者b)使有翅管型热交换器具有带有成形端部的管；或者c)通过使阴极排气流动路径的端部设置有亲水表面，所述亲水表面接触将水带走的芯材(wicking)。
技术介绍
采用蒸发冷却的燃料电池系统，如美国7,504,170(通过引用并入本文)中那样的，需要紧凑且有效的冷凝热交换器。这在比如由燃料电池供能的电动车辆等移动应用中使用的燃料电池系统中尤其如此。板-翅片型热交换器和有翅管型热交换器适合于这种用途。然而，这些热交换器一般由非常窄的流动通道构成，所述非常窄的流动通道具有非常致密的热传递翅片和管或者板，用以在有限空间内使冷凝流动侧中的热传递面积最大化。因为冷凝通道如此之窄，所以当燃料电池系统关闭时，水容易残留在流动通道中，原因是由于缺乏足够的移动流体体积来引导冷凝物。在关闭之后，冷凝物趋于横跨窄的通道汇聚，并将在低于冰点的环境中冻结。下一启动被妨碍，因为空气流动通道被冰部分地或者完全地阻塞。此外，冰阻塞将生成结构应力，其可能损伤冷凝器。在一些情况下，特别是如果冷凝物流和冷却流都需要成为水平的，则冷凝物水可能在燃料电池系统的操作期间尤其是在低动力操作期间汇聚起来并堵塞一部分流动通道。专利技术内容在一个实施例中，冷凝热交换器在冷凝物流动通道的流出端处设置有亲水的排水装置。热交换器的至少流出端表面被致使成为亲水的，并与芯材液体连通，所述芯材将水引领离开端表面，比如去往冷凝物蓄积器。水然后可以通过重力流动或者被泵送，用于可能的处理并作为冷却剂返回燃料电池堆。芯材可以是受到适当处理的亲水金属板或者杆或者碳片，或者其它水可渗透的芯材。亲水的端表面和芯材阻止水在燃料电池系统关闭时的汇聚，并且阻止流动通道在正常操作期间的堵塞。亲水的端表面和芯材可以与板-翅片型或者有翅管型冷凝器一起使用，不管是具有水平冷凝物流还是垂直冷凝物流(或者介于两者间)。冷凝物流动路径可以被部分地或者完全地制成亲水的，用以阻止水的中间通路汇聚。翅片或板或两者的一侧或两侧、或者管的内部可以是亲水的。在另一实施例中，板-翅片型热交换器的翅片延伸超出板，使得在流动路径的端部处不存在流动的完全闭塞，并且冷凝物必然将从翅片滴落，从而使通路不被水阻塞。在一相似实施例中，有翅管热交换器的替代翅片延伸超出相邻的翅片，用以避免低流动汇聚。在冷凝物在有翅管型热交换器的管中流动的实施例中，管延伸超出翅片，并且管在它们的端部处的下垂(downwardly-depending)部分被移除，使得不会出现完全闭塞。再一些实施例提供略微倾斜的冷凝热交换器，用以增强冷凝物在操作期间特别是在关闭期间的流走。在这些实施例中，冷凝物引导通路的端部限定出比如平面或者线，并且所述平面或者线相对于燃料堆以大约0°到20°之间的角度被安装在燃料电池发电厂(powerplant)内。所述角度可以优选为大约17°。本文的各种实施例非常适合于用于移动应用，如在具有由燃料电池驱动的电动马达的车辆中。然而，本文的实施例在静止燃料电池发电厂中也非常有用。鉴于如在附图中示出的示例性实施例的以下详细说明，其它变型将变得更加清楚明了。附图说明图1是本领域公知的板-翅片型热交换器的部分扩大的透视图。图2是根据一个实施例具有延伸翅片的图1所示类型的板-翅片型热交换器的局部透视图。图3是依据另一实施例的具有延伸的垂直冷凝物管的有翅管型热交换器的局部透视图。图4是依据另一实施例的具有延伸的水平冷凝物管的有翅管型热交换器的局部透视图。图5是依据本专利技术又一实施例的、冷凝物引导管的全部端表面都是亲水的并与通入冷凝物蓄积器中的芯材液体连通的、水平板-翅片型热交换器的透视图。图6是具有倾斜的冷凝器用以改进关闭期间的液体流动的燃料电池堆的风格化的示意图。图7是具有一个倾斜的冷凝器的燃料电池堆在该燃料电池堆垂直时的风格化的示意图。图8是图7所示燃料电池堆在该燃料电池堆倾斜时的风格化的示意图。图9是依据另一实施例的具有垂直翅片的有翅管型热交换器的局部透视图，所述垂直翅片中的交替的翅片被延伸。具体实施方式参见图1，现有技术公知的板-翅片型热交换器12具有多个波形的翅片14、15，翅片14是垂直的，而翅片15是水平的。每个翅片14、15被布置在薄板16或者较厚的端板17之间。薄板16在侧壁19、20之间铺设在波纹14、15上，垂直波纹14与位于波纹14的左侧和右侧的薄板16(或者端板17)之间的空间18被用于来自阴极的排气的流，从所述阴极，水蒸汽将得到冷凝。在薄板16(或者端板17)之间位于水平波纹15的右侧和左侧的水平流13用于冷却剂流，即，将充分地冷却板和垂直翅片14以便冷凝来自垂直流的所需湿气的流。只要在垂直波纹14的任一侧存在足够的向下的湿化气体流，则已围绕波纹14冷凝的所有水都将向下流到蓄积器(常规的，图5所示)中。然而，每当流衰减时，如在关闭燃料电池发电厂时，波纹之间的非常细小的空间(其在毫米级)中的水将汇聚起来，原因是由于水对不锈钢边(比如)的相对较高的润湿角，并且在流停止时，垂直波纹的许多或者所有端部将具有水阻塞。如果燃料电池发电厂处于低于水的冻结温度的环境中，则将形成冰，从而阻塞通路，这将阻止来自(并因此去往)阴极的空气流，由此抑制启动操作。参见图2，本文的一个实施例21将垂直翅片14延伸超出板16、17，使得流动路径的端部不再被完全闭塞。这阻止水的汇聚，并避免冻结。实施例21可以具有如图所示的垂直阴极排气路径、或水平阴极排气路径。参见图3，延伸的有翅管实施例23包括延伸穿过翅片25的多个垂直中空管24，为了简洁起见只示出了三个，然而在实践中需要大量的翅片和管。这些管是中空的，并意在用于将被至少部分地冷凝的阴极排气的流。管28的端部被成形，比如通过以适当的低角度进行切割，使得存在不被完全闭塞的足够管表面，由此阻止在流体的流减少时比如在燃料电池堆的关闭期间发生汇聚。冷却剂在管之间的空间26中流动。图4示出了相似的实施例23a，然而该实施例具有水平的冷凝管24a，端部28a被成形为向下打开，因此避免了闭塞和液体的汇聚。为了热平衡考虑，可能优选的是使冷却剂(比如乙二醇)穿过管流动，且阴极排气在翅片之间流动，如以下相对于图9所描述的。参见图5，另一实施例12a示出了水从冷凝物翅片14的移除，方法是通过使位于冷凝物流动路径的出口端(如图5所示的右侧)处和附近的、热交换器的全部端表面31的大部分(多于大约一半)成为亲水的并与基本上水可渗透的芯材32液体连通，所述芯材32将引领水进入蓄积器34中。代替采用单个芯材，如果在任何给定情况下认为合适，可以通过垂直条带来取代芯材32。芯材可以是具有亲水表面的任何适当的金属、或被处理以使之更亲水的复写纸、或其它合适的芯材。实施例12a可以具有如图所示的水平阴极排气流动路径、或垂直的阴极排气流动路径。蓄积器34可以是本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种燃料电池设备，包括：燃料电池堆(50)，其在正常操作中提供包括蒸发冷却水的阴极排气；至少一个有翅冷凝器，其具有冷却剂流体流动路径，并具有与所述冷却剂流体流动路径处于热导通并被构造成引导阴极排气的冷凝流体流动路径，所述至少一个有翅冷凝器包括具有延伸穿过翅片的管的有翅管型热交换器；其特征在于：所述至少一个有翅冷凝器被构造成避免冷凝物在低流体流动期间的汇聚，方法是通过使有翅管冷凝器的至少一部分管(24、24a)延伸超出翅片(25)，且管端(28)的下垂部分被移除，其中所述冷凝流体流动路径是水平的。2.如权利要求1所述的燃料电池设备，其特征进一步在于：位于所述冷凝流体流动路径(18)的流体出口端处的端表面(31)是亲水的，并与被构造成将水从所述至少一个有翅冷凝器的流体出口端移除的、水可渗透的芯材(32)液体连通；并且所述冷凝流体流动路径的至少一部分是亲水的，并与所述至少一个有翅冷凝器的亲水的端表面(31)液体连通。3.如权利要求1所述的燃料电池设备，其特征进一步在于：位于所述冷凝流体流动路径(18)的流体出口端处的端表面(31)是亲水的，并与被构造成将水从所述至少一个有翅冷...

【专利技术属性】
技术研发人员：K赛托，S拉马斯瓦米，MM约科斯，RR菲利普斯，ML佩里，CM古德里奇，
申请(专利权)人：联合工艺公司，
类型：
国别省市：