燃料电池净化管线系统

摘要

公开一种燃料电池净化管线系统。燃料电池阳极净化管线包括细长的除水主体，所述主体具有单个入口部、具有出口阀的单个出口部和清除蓄水器，所述蓄水器被构造为聚集水并流体地连接入口部与出口部以引导来自入口部的净化气体流经过所述蓄水器，使得净化气体将水夹带在所述净化气体流中并将水朝向出口阀输送。

权利要求

1.一种燃料电池阳极净化管线，包括：

细长的除水主体，具有单个圆筒形的入口部、具有出口阀的单个出口部和圆筒形的清除蓄水器，所述清除蓄水器被构造为聚集水并流体地连接所述入口部与所述出口部，以引导来自所述入口部的净化气体流经过所述清除蓄水器，使得所述净化气体将所述水朝向所述出口阀输送；以及净化气体旁通管线，连接所述入口部与所述出口部，并且被布置在所述清除蓄水器的上游，使得净化气体在不接触所述清除蓄水器的情况下从所述入口部流动至所述出口阀。

2.根据权利要求1所述的燃料电池阳极净化管线，其中，所述入口部包括文丘里管，所述文丘里管用于使冲击所述清除蓄水器中的水的净化气体的速度增大，以使所述净化气体形成能够使朝向所述出口阀输送的水的体积增大的喷射流。

3.根据权利要求2所述的燃料电池阳极净化管线，其中，所述文丘里管包括疏水涂层。

4.根据权利要求2所述的燃料电池阳极净化管线，其中，所述文丘里管定位在所述入口部的与所述清除蓄水器直接相邻的最底部部分。

5.根据权利要求2所述的燃料电池阳极净化管线，其中，所述文丘里管在所述入口部中定位成不高于由所述净化气体冲击所述清除蓄水器中的水而产生的喷射流能够到达的位置。

6.根据权利要求2所述的燃料电池阳极净化管线，其中，所述入口部的直径为d1，所述文丘里管包括直径为d2的孔口，其中，d2等于d1的1/6至1/2。

7.根据权利要求1所述的燃料电池阳极净化管线，其中，所述净化气体旁通管线的直径小于所述清除蓄水器的直径。

8.根据权利要求2所述的燃料电池阳极净化管线，其中，净化气体旁通管线入口被布置为邻近于所述文丘里管。

9.根据权利要求1所述的燃料电池阳极净化管线，其中，所述净化气体旁通管线包括另一文丘里管，所述另一文丘里管被定位成邻近于旁通管线出口以形成低压区域。

10.一种燃料电池阳极净化气体管线，包括：

圆筒形的入口部；

出口部，具有出口阀；

圆筒形的清除蓄水器，被构造为使阳极净化气体从所述入口部经过所述清除蓄水器流动至所述出口阀，使得所述流动将聚集在所述清除蓄水器中的水物理地移除；以及净化气体旁通管线，连接所述入口部与所述出口部，并且被布置在所述清除蓄水器的上游，使得净化气体在不接触所述清除蓄水器的情况下从所述入口部流动至所述出口阀。

11.根据权利要求10所述的燃料电池阳极净化气体管线，还包括文丘里管，所述文丘里管定位在所述入口部中，所述文丘里管被设计为使从所述清除蓄水器朝向所述出口阀移除的水的体积增大。

12.根据权利要求11所述的燃料电池阳极净化气体管线，其中，所述入口部的直径为d1，所述文丘里管包括直径为d2的孔口，其中，d2等于d1的1/6至1/2。

13.根据权利要求10所述的燃料电池阳极净化气体管线，其中，所述净化气体旁通管线的直径小于所述清除蓄水器的直径。

14.根据权利要求11所述的燃料电池阳极净化气体管线，其中，净化气体旁通管线入口被布置为邻近于所述文丘里管。

15.根据权利要求10所述的燃料电池阳极净化气体管线，其中，所述净化气体旁通管线包括另一文丘里管，所述另一文丘里管被定位成邻近于旁通管线出口以形成低压区域。

16.一种燃料电池阳极净化管线的除水蓄水器，所述除水蓄水器是圆筒形的，所述除水蓄水器包括：入口部；

出口部，具有单个出口阀；

顶部，位于水平面上方，被构造为引导净化气体的第一部分从所述入口部通过所述除水蓄水器的整个长度至所述出口阀；

底部，位于水平面下方，被构造为将水夹带到净化气体的第二部分中，使得水被输送到所述出口阀，净化气体的第二部分从所述入口部被引导通过除水蓄水器的位于水平面下方的整个长度；以及净化气体旁通管线，连接所述入口部与所述出口部，并且被布置在所述除水蓄水器的上游，使得净化气体在不接触所述除水蓄水器的情况下从所述入口部流动至所述出口阀。

17.根据权利要求16所述的燃料电池阳极净化管线的除水蓄水器，还包括文丘里管，所述文丘里管定位在所述入口部中，以使朝向所述出口阀输送的水的体积增大。

18.根据权利要求17所述的燃料电池阳极净化管线的除水蓄水器，其中，所述入口部的直径为d1，所述文丘里管包括直径为d2的孔口，其中，d2等于d1的1/6至1/2。

19.根据权利要求16所述的燃料电池阳极净化管线的除水蓄水器，其中，所述净化气体旁通管线的直径小于所述除水蓄水器的直径。

20.根据权利要求17所述的燃料电池阳极净化管线的除水蓄水器，其中，净化气体旁通管线入口被布置为邻近于所述文丘里管。

21.根据权利要求16所述的燃料电池阳极净化管线的除水蓄水器，其中，所述净化气体旁通管线包括另一文丘里管，所述另一文丘里管被定位成邻近于旁通管线出口以形成低压区域。

说明书

燃料电池净化管线系统

技术领域

[0001] 本发明涉及一种燃料电池净化管线系统。

背景技术

[0002] 在燃料电池操作期间，在燃料电池堆的阳极侧会形成诸如产物水、氮以及未耗尽的氢的副产品。在某些已知的系统中，尝试控制产物水的聚集和氮的聚集来避免燃料电池性能下降和/或燃料电池系统关闭。一个已知的途径是经由燃料电池堆下游的通道来释放水和氮。使用这种途径，将通道与阀连接以使水和氮从燃料电池堆可控地释放。然而，在燃料电池的寒冷气候操作期间，当水可能在通道或阀或者燃料电池的具有小横截面面积的其它部分中结冰时，这种途径包括出现问题的潜在可能。所造成的结冰会引起通道的至少一部分堵塞，并且阻碍流体流动(例如，水和氮的去除)，这会抑制燃料电池系统功能。

发明内容

[0003] 在一个实施例中，公开一种燃料电池阳极净化管线。所述净化管线可包括细长的除水主体，所述主体具有单个入口部、具有出口阀的单个出口部和清除蓄水器。清除蓄水器可被构造为聚集水并流体地连接入口部与出口部以引导来自入口部的净化气体流经过所述蓄水器，使得净化气体将水夹带在所述净化气体流中并将水朝向出口阀输送。入口部可包括文丘里管。文丘里管可使冲击所述蓄水器中的水的净化气体的速度增大，以使净化气体形成能够使朝向出口阀输送的水的体积增大的喷射流。入口部的直径可以为d1，文丘里管可包括直径为d2的孔口，其中，d2等于d1的1/6至1/2。文丘里管可包括疏水涂层。文丘里管可定位在入口部的与清除蓄水器直接相邻的最底部部分。所述文丘力管在所述入口部中可定位成不高于由所述净化气体冲击所述清除蓄水器中的水而产生的喷射流能够到达的位置。清除蓄水器可以是圆筒形的。净化管线还可包括连接入口部与出口部的净化气体旁通管线。净化气体旁通管线可被布置在清除蓄水器的上游，以使净化气体在不接触清除蓄水器的情况下从入口部流动至出口阀。净化气体旁通管线入口可被布置为邻近于文丘里管。净化气体旁通管线的直径可小于清除蓄水器的直径。净化气体旁通管线可包括文丘里管，该文丘里管定位成邻近于旁通管线出口，以形成低压区域。

[0004] 在另一实施例中，公开一种燃料电池阳极净化气体管线。所述净化气体管线可包括入口部、具有出口阀的出口部和清除蓄水器。清除蓄水器可被构造为使阳极净化气体从入口部经过所述蓄水器流动至出口阀，使得所述流动将聚集在所述蓄水器中的水物理地移除。所述净化气体管线还可包括文丘里管，该文丘里管定位在入口部中，该文丘里管被设计为使从清除蓄水器朝向出口阀移除的水的体积增大。入口部的直径为d1，文丘里管包括直径为d2的孔口，其中，d2等于d1的1/6至1/2。所述净化气体管线还可包括直接连接入口部与出口部的净化气体旁通管线。净化气体旁通管线可被布置在清除蓄水器的上游，以使净化气体在不接触蓄水器的情况下从入口部流动至出口阀。净化气体旁通管线的直径可小于清除蓄水器的直径。

[0005] 在又一实施例中，公开一种燃料电池阳极净化管线除水蓄水器。所述除水蓄水器可包括：入口、出口、顶部和底部。顶部可被定位在水平面上方并被构造为引导净化气体的第一部分从入口部经过所述蓄水器的整个长度至出口阀。底部可被定位在水平面下方并被构造为将水夹带到净化气体的第二部分中，使得水被输送到出口阀，净化气体的第二部分从所述入口并引导通过蓄水器的位于水平面下方的整个长度。所述除水蓄水器还可包括文丘里管，该文丘里管定位在所述入口中，以使朝向出口阀输送的水的体积增大。入口部的直径可以为d1，文丘里管可包括直径为d2的孔口，其中，d2等于d1的1/6至1/2。所述除水蓄水器还可包括连接入口部与出口部的净化气体旁通管线。净化气体旁通管线可被布置在所述除水蓄水器的上游，使得净化气体在不接触蓄水器的情况下从入口流动至出口阀。

附图说明

[0006] 图1A描绘了一个或更多个实施例中的清除蓄水器的孤立透视图；

[0007] 图1B描绘了燃料电池系统的示意图和沿线1B‑1B截取的图1A的清除蓄水器的截面图；

[0008] 图1C描绘了根据另一实施例的可选清除蓄水器的纵向截面图；

[0009] 图1D描绘了清除蓄水器的纵向截面图；

[0010] 图1E描绘了清除蓄水器的纵向截面图；

[0011] 图1F描绘了沿线1F‑1F截取的图1A的清除蓄水器的截面图；

[0012] 图2描绘了包括补充净化通道的图1B中所引用的燃料电池系统的变型；

[0013] 图3A至3G描绘了清除蓄水器的截面图的多个变型；

[0014] 图4A描绘了包括文丘里管的清除蓄水器的纵向截面图；

[0015] 图4B描绘了包括孔板的清除蓄水器的纵向截面图；

[0016] 图5示出了包括净化气体旁通管线的清除蓄水器的纵向截面图；

[0017] 图6示出了包括文丘里管和净化气体旁通管线的组合的清除蓄水器的纵向截面图。

具体实施方式

[0018] 现在将详细描述发明人已知的本发明的组成、实施例和方法。然而，应该理解的是，公开的实施例仅仅是本发明的示例，本发明可以以各种可替代的形式实施。因此，在此公开的具体的细节不应该被解释为限制性的，而仅仅作为用于教导本领域技术人员以多种方式应用本发明的代表性基础。

[0019] 除非特别地指出，否则说明书中的指示材料的量或者反应和/或使用的条件的所有的数量意在被理解为在描述本发明的最宽的范围时由词语“大约”修饰。

[0020] 结合一个或更多个实施例的适于给定目的的材料的组或分类的描述意味着所述组或分类的成员中的任何两个或更多个的混合是合适的。用化学术语对成分的描述指的是加入在说明书中指定的任何化合物时的成分，并且不一定排除在一旦混合之后的混合物的成分间的化学相互作用。对缩略词或其它缩写的第一次定义应用于文中所有后续使用的相同缩写并且应用于比照最初定义的缩写的正常语法变型的加以必要的变更。除非明确相反地指出，否则对属性的测量是通过与对在前或在后参照的同一属性的技术相同的技术来确定。

[0021] 在燃料电池操作期间，产物水、剩余燃料(诸如氢)和副产品(诸如氮)会在燃料电池堆的阳极侧聚集。已经尝试去除液体产物水以及副产品，并且再利用剩余的氢和水蒸气。一个途径是将这些成分收集在位于燃料电池堆下游的分离器中，将液体水分离并将它朝向联合净化排放通道引导，同时使剩余的成分经由返回通道返回到燃料电池堆。联合净化排放通道通过单个阀对大气封闭。周期性地，打开这个阀，以排放液体产物水并净化阳极副产物(诸如氮)。然而，在暴露到寒冷环境温度期间，当剩余的产物水结冰时，使净化功能和排放功能联合在由单个阀封闭的单个通道中存在结冰以及净化和排放流动堵塞的重大风险。
在低于0℃的寒冷环境温度下严重关切到结冰的可能性。如果净化和排放功能受到冰堵塞的妨碍，则燃料电池性能劣化，可能到达系统关闭点。

[0022] 如将在这里描述的，本发明的实施例提供对一个或多个上述认定问题的解决方案。一个或更多个实施例陈述了通过将新的结构合并到现有的净化通道中以及针对启动鲁棒性避免使用多个阀和通道来实现系统复杂性的降低，从而使硬件和控制软件最小化。复杂性的降低可以使制造成本降低，系统重量减小和/或故障模式发生减小。

[0023] 在一个或更多个实施例中，公开了一种具有位于燃料电池堆下游的清除蓄水器(scavenging reservoir或scavenged reservoir)的燃料电池系统。清除蓄水器可以带来下述益处中的一个或多个：(1)减少和/或消除因结冰而引起的净化通道堵塞以及(2)减少用于净化氮和水两者的阀的数量。在特定情况下，氮、水和氢可以流经采用具有单个下游阀的清除蓄水器的同一通道。可选地，这种途径也可以被称为净化和排放功能一体化。这种途径支持对获得商业可行的燃料电池系统的设计的努力，也就是能够在降低成本和提高效率的同时在结冰环境条件下一致地启动。另外，如这里所描述的，产物水在寒冷气候条件下引起冰堵的威胁降低。

[0024] 在一个或更多个实施例中，如图1A和图1B所描绘的，在图1B中总体由100示出的燃料电池系统可以包括燃料电池堆102、位于燃料电池堆102下游并且经由通道130与燃料电池堆102流体连通的分离器104以及位于分离器104下游并且与分离器104流体连通的清除蓄水器106，其中，清除蓄水器106包括入口部116、出口部126以及位于入口部116和出口部126之间的中间部136。入口部116的下表面相对于中间部136的下表面定位成入口角α1。出口部126的下表面相对于中间部136的下表面定位成出口角α2。阀108位于蓄水器106的下游。如这里所描述的，在寒冷天气条件下，清除蓄水器106的这种结构可以保持从燃料电池堆102延伸到阀108的整个线路的通道或者至少从分离器104延伸到阀108的通道以及阀108免受冰堵。

[0025] 在燃料电池系统操作期间，产物水、氮和剩余的氢可以从燃料电池堆102经由通道130流到分离器104。在分离器104中，产物水与剩余的氢以及氮分离。产物水通过通道134从分离器104排出。在特定情况下，如图1B所描绘的，分离的氢可以经由氢返回通道132返回到燃料电池堆102。

[0026] 在一个非限制性实施例中，清除蓄水器106可以形成为具有符合水结冰可能成为问题的任何燃料电池系统的尺寸的可拆卸单元。清除蓄水器106还可以被合并到水分离器本身的底部中。清除蓄水器106可以是一体化的单个单元，可选地经由注射成型而形成。这种构造的好处是，好发于弯角和锥形的部分处的液体泄漏会减少，不然的话可能需要焊接和/或熔焊来连接。然而，入口部116、出口部126和中间部136可以是具有为每个燃料电池系统分别定制的尺寸和材料的可连接零件。例如，中间部136的横截面尺寸可以大于、等于或小于入口部116和出口部126任何一个的横截面尺寸。还例如，人们可以选择使中间部136由与入口部116和出口部126中的任何一个的材料不同的材料形成。

[0027] 通过将阀的总数减少到一个联合净化和排放的阀108，并且通过采用位于阀108上游的清除蓄水器106，在一个或更多个实施例中本公开提供防止冰堵塞并清除产物水的协同效应。

[0028] 在一个或更多个实施例中，术语“清除(scavenging/scavenged)”可以指的是使阳极净化和排放的气体流遍布和通过聚集的液体水流动以物理地去除水的行为。因此，气体流被用于清除水或将水夹带在气体流中，从而利用气体流将水输送出系统。净化和排放的气体流可称为阳极净化气体或净化气体。净化气体可包含氮、水蒸气、液体水和剩余的氢。净化气体可基本上不含氢。

[0029] 清除蓄水器106可以与燃料电池堆102的阳极或燃料电池堆102的阴极流体连通。当在与阴极流体连通的情况下使用时，清除蓄水器106可以有助于防止物体(诸如电子节气门主体)结冰。

[0030] 清除蓄水器106(更具体地，清除蓄水器106的中间部136)沿重力方向布置在分离器104的下游和下方，从而水能够通过重力排放到清除蓄水器106中。沿着这个通道，位于清除蓄水器106下游的阀108应该沿重力的方向位于清除蓄水器106上方的位置，从而使可能残留在阀108上或者周围的任何水将会聚集在中间部136中。水应该以这样的方式聚集在中间部136中，即，即使任何聚集的水结冰仍允许气体通过中间部136。阀108可为闭式电磁阀。可预想任意其它合适类型的阀。

[0031] 图1C描绘了清除蓄水器106’，示出了聚集在中间部136’的下表面142上的水或冰140，在聚集的水或冰上方具有畅通的流动通道。在氮净化和水排放事件过程中，热的阳极副产品的流动使冰融化并且夹带聚集在中间部136’中的液体水。夹带的水被携带到出口部
126’并被朝向阀108携带。在这种构造下，产物水和氮气即使在通道中存在冰的情况下仍被基本上净化。因此，这种设计提供了协同效应，其中，不仅能够使氮气和产物水经由具有以降低系统复杂性并且保持成本的单个下游阀而被净化，还提供经由流经清除蓄水器106’的流体混合物实现的内置加热和融化。从入口部110’到中间部136’的过渡是逐渐的。

[0032] 图1D和图1E描绘了根据本发明的可选实施例的清除蓄水器106”和106”’。参照图1D和图1E，分别过渡到清除蓄水器106”和106”’的入口端110”和110”’可以基本呈圆形或近似于圆形。如图1D所示，清除蓄水器106”具有近似于矩形蓄水器横截面的中间部136”。从入口端110”到中间部136”的过渡不是逐渐的过渡。图1E描绘了具有从入口端110”’逐渐倾斜过渡到中间部136”’中的蓄水器106”’。

[0033] 在对清除蓄水器成形时可以考虑多种因素。这些因素可以包括响应于流动流的特性(它们本身是根据由使用周期所决定的负载的)设计入口角和出口角、入口、出口和蓄水器横截面积以及清除蓄水器各部分的长度、宽度和深度。通常，清除蓄水器应该被设计成具有在浸泡(soak)期间实现储存足够产物水的尺寸，以在接下来的启动尝试时避免系统堵塞。在特定实施例中，进入到蓄水器的角度和从蓄水器出来的角度应该是向上的，以便于通过重力将水排放到蓄水器中以存储和冻结。另外，安装在车辆中的水和阳极清空(knock‑out)净化管线的位置还应该考虑到道路坡度(road pitch)。例如，进入到蓄水器的角度和从蓄水器出来的角度应该足够大，以克服±17°的道路坡度，以便于通过重力将水排放到蓄水器中来存储和冻结。本领域技术人员已知的是，道路坡度会从处于近乎于平面而大大地偏离至具有可超过±3°、±5°、

[0034] ±8°、±11°、±15°、±18°、±21°和±25°的陡峭的斜坡和下坡的山路，其中，进入到蓄水器的角度和从蓄水器出来的角度应该足够大，以克服这些道路坡度。

[0035] 入口部、出口部和/或中间部均能够构造成具有任何合适的几何特性，包括可以使流体流径直或引导流体流或甚至向流体流施加湍流的肋和叶片。这种流体流的操纵可以在操作期间增强清除效果，或者可以在结冰前的非操作期间用于引导水流。

[0036] 在一个或更多个实施例中，水应该以即使在任何聚集的水结冰时仍然允许气体通过中间部136的方式全部或者大部分地聚集在中间部136中。存在于中间部136的水的量波动并限定水平面。水平面进而限定中间部136或蓄水器106的底部144和顶部146。在图1C和图1D中描绘了水平面、底部144’和144”以及顶部146’和146”。位于水平面上方的顶部146可不含水，使得净化气体的至少一部分可不受限制地流经中间部136或蓄水器106的整个长度。底部144位于水平面下方并且净化气体的至少一部分可流经底部144中的水，夹带水，并将夹带的水朝向出口部126和阀108输送。

[0037] 返回参照图1B，入口部116可以被构造为包括第一端110和第二端112的基本圆筒形或圆筒形结构，具有按中心线轴线L1测量的入口长度Ln1。在特定实施例中，入口部116的入口长度Ln1具有大约0.5英寸到10英寸(1.27cm到25.4cm)的值、1.0英寸到5英寸(2.54cm到12.7cm)的值或者2.0英寸到3.0英寸(5.08cm到7.62cm)的值。中间部136的中心线轴线命名为L2，出口部126的中心线轴线命名为L3。在特定实施例中，中心线轴线L1、L2和L3的结合构成了清除蓄水器的纵向轴线。此外，分别在图1B、1C、1D和1E中描绘的清除蓄水器106、106’、106”和106”’的剖视图可以被认为是横向横截面视图。

[0038] 进一步参照图1B，入口角α1可以是由入口部116的纵向截面的下表面和中间部136的纵向截面的下表面所限定的角。出口角α2可以是由中间部136的纵向截面的下表面和出口部126的纵向截面的下表面所限定的角。入口角α1、出口角α2或两者可被构造为在浸泡事件期间便于将水引导到中间部136中。这有助于允许冰在中间部136中形成并且远离对跨接和堵塞会相对更敏感的路径和通道。

[0039] 入口角α1、出口角α2或两者可大于大约90度并且小于大约155.5度。在特定情况下，入口角α1、出口角α2或两者可在大约100度到大约155.5度之间、大约120度到大约155.5度之间、大约130度到大约155.5度之间或大约140度到大约155.5度之间。

[0040] 本段涉及在车辆内部的燃料电池中安装联合的水和阳极清空净化管线。中间部136的中心线轴线L2可以定位为相对于重力方向成大约65.5度到大约114.5度、大约70度到大约110度或大约85度到大约95度的角。相对于入口部106和出口部126而定位的中间部136为水提供平台，以使水留在中间部136的底表面上，留下用于气体流动的上部空间(顶部
146)。在某些特定情况下，中间部136可以基本上定位成平的，例如，相对于重力方向成大约
88.5度到大约91.5度的角，以收集尽可能多的水。

[0041] 参照图1B和图1F，中间部136可以被构造为包括中心线轴线L2并且在第二端112和第三端114之间限定的基本圆筒形或圆筒形的结构。图1F中示出的圆筒形结构描绘了下表面152和上表面150。中间部136可以具有按中心线轴线L2测量并且以第二端112和第三端114为端部的长度Ln2。在特定设计中，中间部136的长度Ln2具有0.5英寸到10英寸(1.27cm到25.4cm)的值、1.0英寸到5英寸的值(2.54cm到12.7cm)或者2.0英寸到3.0英寸的值(5.08cm到7.62cm)。在一个或多个实施例中，中间部长度Ln2被构造为使得清除的水不脱离净化及排放的流动流并且在达到出口部之前返回到蓄水器中(在这种情况下，中间部会过长)。

[0042] 在可选实施例中，参照图3A到图3G，中间部136可以被构造成各种形状或者使横截面的形状变化为适于具有在浸泡期间实现储存足够产物水以在接下来的启动尝试时避免系统堵塞的尺寸。图3A到图3G表示出进入到蓄水器的角度和从蓄水器出来的角度是向上的以便于通过重力将水排放到蓄水器中以存储和冻结的可选实施例。图3A到图3G描绘了沿线1F‑1F截取的图1A的清除蓄水器的不同的剖视图，其中，图3A是圆形或基本圆形的，图3B到图3G具有允许通过重力将水排放到蓄水器中以存储和冻结的排水蓄水器。图3B到图3G可以相对于中点固定轴转动15度、30度、45度、60度、75度、90度、105度、120度、135度、150度、165度和180度。

[0043] 出口部126可以被构造为包括中心线轴线L3并且在第三端114和第四端118之间限定的基本圆筒形或圆筒形的结构。出口部126可以具有按中心线轴线L3测量并且以第三端114和第四端118(如图1C至图1E中的118’、118”、118”’)为端部的长度Ln3。在特定设计中，出口部126的长度Ln3具有0.5英寸到10英寸(1.27cm到25.4cm)的值、1.0英寸到5英寸的值(2.54cm到12.7cm)或者2.0英寸到3.0英寸的值(5.08cm到7.62cm)。并不希望限制于任何具体的理论，出口部126被构造为使得清除的水在到达净化和排出阀之前不落回到蓄水器中。
长度Ln1、Ln2和Ln3可相同或不同。在至少一个实施例中，在图1B中描绘的，Ln2大于Ln1和Ln3。

[0044] 当入口部是圆筒形或基本圆筒形时，入口部116的平均直径可以为大约5mm到20mm、7.5mm到17.5mm或者10mm到15mm。在一个或多个实施例中，入口部长度Ln1对流体流建立了方向性，将流体流在入口部的末端和中间部的顶部之间分开并且使流体流冲击中间部的最下部的内表面。该动作引起对水池的清理(scavenging)。在其它实施例中，入口部116可以是圆锥形的或者从110处的较大底部到112处的较小底部逐渐变小的截头圆锥形的。

[0045] 中间部136可以是圆筒形的或基本圆筒形的，或者是任何其它合适的截面(诸如矩形或多边形)的。当中间部136是圆筒形的或基本圆筒形的时，中间部136的平均直径为大约12.5mm到大约55mm、大约13.5mm到大约40m、大约15mm到大约30mm、大约16mm到大约25mm、大约17.5mm到大约20mm。中间部136可被构造为具有与入口部116和/或出口部126的平均直径相同或不相同的平均直径。例如，中间部136可被构造为具有大于入口部116和/或出口部
126的平均直径的平均直径。平均直径值之间的差可以为大约2mm到大约11mm、大约3mm到大约10mm、大约4mm到大约9mm或大约5mm到大约8mm。这些直径可以被构造为使得单个水滴不会因毛细作用力而与通道桥接或完全阻挡通道。

[0046] 如图2中所描绘的，燃料电池系统还可以包括补充净化通道202，用于给清除蓄水器106所存在的主净化通道206提供补充净化。补充净化通道202可包括第一端212和第二端222，第一端212连接到分离器104的顶部204和/或容纳于分离器104的顶部204，第二端222设置在阀108的上游。在特定情况下，补充净化通道202在节点224处连接到主净化通道206，其中，第二端222设置在清除蓄水器106的下游和阀108的上游。

[0047] 输入流可以包括呈液体和/或蒸汽状态的水、氢和以及氮，并且输入流以各种浓度通过主净化通道和/或补充净化通道。可以控制通过补充净化通道202的流动的程度，使得补充净化通道202可以仅在主净化通道206无法提供所期望的规定量的净化时发挥作用。可以以各种方式进行这种控制，包括采用节流装置(诸如孔口)来限制通过补充净化通道202的流动或者采用阀(诸如电磁阀)。

[0048] 如图1B和图2所描绘的，虽然补充净化通道202相对于主净化通道206分开地设置，但是补充净化通道202可以供给到与主净化通道206使用的阀相同的阀108，由此保持低成本和低寄生损失。

[0049] 参照图1B，清除蓄水器106的中间部136相对于起始于分离器104的通道保持在主净化通道206中最低的区域。返回参照图2，清除蓄水器106的中间部136相对于补充净化通道202的第二端222保持在主净化通道206中的最低点。该相对较低的区域提供了用于使水远离对由结冰而产生的堵塞敏感的区域(例如，主净化通道和补充净化通道的汇合位置(例如，第二端222)，或者阀108中的孔口)聚集。

[0050] 设置补充净化通道202，使得补充净化通道202起始于分离器104的顶部上的位置处，从而在主通道206中存在冰堵的情况下允许气体流动。补充净化通道202与主通道206在阀108的上游位置之前汇合。起始于分离器104可以防止可能随后结冰的液体水的聚集。补充净化通道202可以在流动路径中包含孔口(未示出)，以限制流体流动，从而确保大多数的净化和排放流体流经主通道206，除非主通道206被液体水或者冰堵塞或者限制。

[0051] 因此，补充净化通道202用作旁通回路，其将在主净化通道被冰堵塞的情况下实现净化流动，直到主净化通道206解冻且使净化和排放流体都能够流动为止。按照这种布置，阀108必须定位成使得阀108不是整个系统的最低组件，以防止阀108遭受到冰堵。

[0052] 在特定设计中，主通道、副通道或两者可由导热材料形成。这样的主通道、副通道或两者可以全部或者部分地放置在运载热气体或流体的另一系统管道(诸如从电池堆伸出的引起阴极排气通道或者运载热的电池堆出口冷却剂的管道)的内部。按照这种方式，通道将被它们周围环境潜在地加热，从而使用余热有效地融化任何冰。合适的导热材料包括但不限于诸如铜、铝的金属、复合材料等。

[0053] 可选地，主通道、副通道或两者或者它们的特定部分可由塑料材料形成。塑料可被模制成型(例如通过蛤壳成型(clam shell molding)并焊接在一起)或注射成型。如上面所提及的，可期望在不必须将独立的部分焊接在一起的情况下形成独立的通道。然而，可预想模制部件的焊接或粘结接合。塑料材料可以是与通道的功能相兼容的任何塑料。示例性塑料可包括热塑性塑料、高纯度材料和具有卓越机械强度和尺寸稳定性(dimensional stablility)的高性能工程塑料，诸如含氟聚合物(包括但不限于，聚四氟乙烯(PTFE)、氟化乙烯丙烯(FEP)、全氟烷氧基烷烃(PFA)、聚偏氟乙烯(PVDF)、聚三氟氯乙烯(PCTFE)、乙烯‑三氟氯乙烯(ECTFE)、乙烯四氟乙烯(ETFE))、高性能聚酰亚胺、聚酰胺(诸如尼龙)等，或它们的组合。

[0054] 主通道、副通道或两者的至少一部分可包括增加机械性能、通道的寿命、疏水性、其它性能或它们的组合的衬套。示例性衬套可通过包含诸如 膜(该膜是膨体聚四氟乙烯(ePTFE)的薄层)的膜而形成。衬套可被包括在蓄水器106的至少一部分内，以覆盖蓄水器106的内表面的至少一部分。可选地，蓄水器106的内表面的全部可包括衬套。系统
100的其它部分(诸如通道134、通道130、通道132或它们的组合)可包括衬套。

[0055] 由于净化/清除作用，因此防止水充满蓄水器106。换句话说，净化气体通过入口部116进入并随后流经中间部136，液体水被夹带在净化气体流中并被输送到出口部126。在系统操作期间或每当阀108被操作时，执行除水处理。为了进一步增强系统的清除作用，进而防止清除蓄水器106充满水并且后续在冻冰时被冰堵塞，可将额外的结构引入到系统中。

[0056] 例如，可将文丘里管增设到清除蓄水器106。在图4A中描绘了示例性的文丘里管170。文丘里管170可以是能够引起文丘里效应的任何结构，或者换句话说，是具有收缩区域以在流体流经该收缩区域时使流体压力降低的结构。例如，文丘里管可成形为类似于在其长度内具有不同直径的文丘里管。因此，文丘里管可具有大约30°的入口锥和大约5°的出口锥。

[0057] 实现与文丘里管170大致相同功能的替代结构可以是孔板172，图4B中描绘了孔板的示例。孔板172可以是在板172内具有孔口174的板。孔板172可放置在入口116内。文丘里管170或孔板172可利用每个净化脉冲而增加移除的水的量，使得文丘里管170或孔板172可增加朝向出口阀108移动的水的体积。

[0058] 文丘里管170和孔板172两者均包括口或孔口174。文丘里管的孔口174涉及到文丘里结构的最小直径。孔口174的尺寸应该根据清除蓄水器106的入口部116、中间部136和/或其它部分和构造的尺寸来定制。如下所述的孔口尺寸是相对于入口部尺寸而限定的，这是由于两者都取决于燃料电池系统的功率和必要的反应流率。例如，80kW的净燃料电池设计准许阀连接到具有直径范围约2mm至8mm的孔口174的清除蓄水器106的出口。取决于系统的期望的压降和最大流率，这样的系统中的入口直径至少为大约8mm。

[0059] 孔口174可不小于入口部116的1/6的比率并且不大于入口部116的1/2的比率。因此，入口部116直径为d1并且孔口174直径为d2，其中d2等于d1的大约1/6至大约1/2。孔口174不应小到在孔口174中引起单个液滴冷凝。该冷凝可阻塞孔口，这将阻止净化气体和水通过孔口174。为协助防止孔口174内的冷凝，可将疏水材料应用到孔口174、文丘里管170、板172或它们的组合的表面。

[0060] 疏水材料可以是例如导致水从表面滑落的超疏水材料。这些材料包括例如锰氧化物聚苯乙烯纳米复合材料、锌氧化物聚苯乙烯纳米复合材料、沉淀碳酸钙、碳纳米管结构或二氧化硅纳米涂层。可选地，疏水材料可以是基于烷烃、油、脂肪或其它油脂物质的分子的。涂层可以是基于一种或更多种疏水性聚合物(包括丙烯酸树脂、酰胺、酰亚胺、碳酸盐、二烯烃、酯类、醚类、碳氟化合物、烯烃、苯乙烯、聚乙烯醇缩醛、乙烯酯、氯乙烯、过氯乙烯、乙烯醚、乙烯酮、乙烯吡啶、乙烯吡咯烷酮等)的。仍然可选地，可结构性地改变制成孔口表面的材料以提供疏水性，例如，通过激光蚀刻。激光蚀刻可在材料中提供脊或其它纳米构造。这种激光蚀刻表面可提供持久的水排斥效应，以使水分子从表面滚落。此外，激光蚀刻的纳米结构还可涂有诸如聚四氟乙烯的疏水材料。

[0061] 文丘里管170或孔板172可安装在具有圆筒形几何形状、图3B至图3G中描绘的几何形状或诸如环形的清除蓄水器的其它几何形状的清除蓄水器106中。文丘里管170或孔板172可位于蓄水器106的入口部116内的任何位置。文丘里管170或孔板172的位置应使得文丘里管170或孔板172协助产生能够冲击中间部136的水流的喷射流。具体地，该喷射流应指向中间部136的底部，使得受冲击的水朝向出口阀108喷射。因此，可期望相对于蓄水器106的中间部136将文丘里管170尽可能低地布置在入口部116中。因此，孔口174可定位在入口部116的最底部部分176或邻近于中间部136。孔口174可被定位成不高于由与中间部136中的水冲击而形成的喷射流开始接触入口部136的点。换句话说，文丘里管170或板172可入口部116内被定位成不高于该喷射流能够达到的位置。

[0062] 可安装在蓄水器106中以在所有工况下提高其清除效率并增强除水的另一构造是喷射泵。在图5中描绘了示例性喷射泵，其还称为净化气体旁通管线178。旁通管线可以是将入口部116与出口部126直接连接并用作净化气体移除的任何结构。在蓄水器106充满水、冰或两者的情况下，旁通管线178能够移除净化气体，使得防止净化气体通过蓄水器106的中间部136。因此，旁通管线174能够在结冰开始期间移除净化气体，以在蓄水器106中的冰融化之前允许燃料电池系统操作。

[0063] 此外，旁通管线178具有被设计为在蓄水器106的出口部126中形成低压抽吸区域182的出口180。低压区域182通过将水朝向出口阀108牵引而从中间部136移除水。为了形成低压抽吸区域182，文丘里管或孔板可被包括在出口180中。旁通管线178可不具有文丘里管
170和孔板172。

[0064] 旁通管线178应具有小于入口部116、出口部126和中间部136的直径的直径。旁通管线178的目的是为净化气体(特别是需要及时地从燃料电池系统移除的氮)提供备用通道。如果入口部116、中间部136、出口部126或它们的组合充满水、冰或两者，使得入口部116、中间部136、出口部126中的至少一个被堵塞并且净化气体不能通过入口部116、中间部
136和出口部126而行进到阀108，则旁通管线178首先为净化气体提供替代路径。但是，在入口部116、中间部136和出口部126允许净化气体流动到阀108的正常情况下，期望净化气体流动通过入口部116至中间部136并流动至具有阀108的出口部126。因此，旁通管线178的直径应该足够小以促使净化气体流动通过入口部116、中间部136和出口部126。

[0065] 如图6的实施例中所描绘的，除了设置旁通管线178以外，可期望设置文丘里管170或孔板172两者。如果文丘里管170或孔板172安装在蓄水器106中，则旁通管线178应位于文丘里管170或孔板172的上游和上方。中间部136与旁通旁线178之间的最大期望距离没有限制；然而，旁通管线178相对于中间部136离得越远，蓄水器106就变得越大。由于车辆内的系统100的空间布置，因此期望尽可能地保持蓄水器106紧凑。

[0066] 如果不使用文丘里管170或孔板172，则旁通管线178可位于蓄水器106的中间部136上方的任何位置。旁通管线178应与中间部136以一定距离间隔开，使得在如果水、冰或两者充满入口部116、中间部136和出口部126中的至少一个的情况下水不进入旁通管线
178。

[0067] 在一个或更多个实施例中，可预想多于一个的旁通管线178。至少一个额外的旁通管线可定位在旁通管线178的上游，并在中间部136充满冰、水或两者并且旁通管线178不足以移除净化气体的情况下协助移除净化气体。额外的旁通管线178可具有与旁通管线178相同或不同的直径。例如，额外的旁通管线178可具有小于旁通管线178的直径，以促使净化气体流动通过入口部116、中间部136和出口部126至阀108。

[0068] 在特定的其它设计中，可布置热源以与主通道和副通道紧密连通，以促进冰融化。

[0069] 在特定的其它设计中，可以使主通道和副通道全部或部分地隔离，以通过防止热损耗而促进冰融化。

[0070] 在特定的其它设计中，可以在旁通净化通道中放置水‑汽可透过而水‑液不可透过的膜，以保持液体水排出通道阀而防止冰堵。

[0071] 总体上已经描述了本发明的多个实施例，可以通过参照特定的具体示例而获得进一步的理解，除非另外指出，否则特定的具体示例在这里仅出于说明的目的而提供的，并且不意图是限制性的。

[0072] 示例

[0073] 根据图1A和图1B中示出的构造形成的清除蓄水器的样品。所形成的清除蓄水器的样品的具有下述尺寸：入口部长度为63.5mm，入口部平均直径为12.7mm，α1为147°，中间部的长度为54.0mm，中间部的平均直径为19.1mm，α2为155.5°，出口部的长度为41.3mm，出口部的平均直径为12.7mm。

[0074] 根据图2建立的原型补充净化通道证明了在冷浸泡期间可接受的净化性能，在接下来的结冰开始时不需要多个阀的情况下维持净化流通路径的敞开。

[0075] 尽管已经详细地描述了用于实施本发明的最佳模式，但是对本发明涉及的领域熟悉的技术人员将认识到用于实施由权利要求所限定的本发明的各种替代设计和实施例。