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1、(10)申请公布号 CN 103972524 A (43)申请公布日 2014.08.06 CN 103972524 A (21)申请号 201410043833.6 (22)申请日 2014.01.30 13/757071 2013.02.01 US H01M 8/02(2006.01) H01M 8/04(2006.01) (71)申请人 通用汽车环球科技运作有限责任公 司 地址 美国密执安州 (72)发明人 M.A. 朗 S.R. 法尔塔 (74)专利代理机构 中国专利代理(香港)有限公 司 72001 代理人 李涛 胡斌 (54) 发明名称 用于冷却燃料电池动力交通工具的系统和方 法 。
2、(57) 摘要 一种燃料电池系统， 包括多个双极板组件， 每个组件包括 ： 第一板和第二板， 其具有设置于 其间的内部冷却剂流动路径 ； 用于第一反应气体 的流动路径， 其处于第一板的与内部冷却剂流动 路径相对的一侧 ； 和用于第二反应气体的流动路 径， 其处于第二板的与内部冷却剂流动路径相对 的一侧 ； 和冷却系统， 其被构造成用以将冷却剂 置于与所述多个双极板组件处于热连通， 其中内 部冷却剂流动路径与外部反应气体流动路径之间 的循环压力差使设置于双极板组件内的冷却剂的 体积发生膨胀和收缩， 由此泵送冷却剂穿过冷却 系统。还提供了一种冷却燃料电池动力交通工具 的方法。 (30)优先权数据 。
3、(51)Int.Cl. 权利要求书 2 页 说明书 10 页 附图 5 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书2页 说明书10页 附图5页 (10)申请公布号 CN 103972524 A CN 103972524 A 1/2 页 2 1. 一种燃料电池系统， 包括 ： 燃料电池堆， 其包括布置成堆叠构造的多个燃料电池， 每个燃料电池包括双极板组件， 所述双极板组件包括 ： 第一板和第二板， 其具有设置于其间的内部冷却剂流动路径 ； 用于第一反应气体的流动路径， 其位于第一板的与所述内部冷却剂流动路径相对的一 侧 ； 和 用于第二反应气体的流动路径， 其位于。
4、第二板的与所述内部冷却剂流动路径相对的一 侧 ； 和 冷却系统， 其被构造成用以将冷却剂置于与至少一个所述双极板组件处于热连通 ； 其中， 所述内部冷却剂流动路径与所述第一和第二反应气体流动路径之间的循环压力 差使设置于所述双极板组件内的冷却剂的体积发生膨胀和收缩， 由此泵送冷却剂穿过所述 冷却系统。 2. 如权利要求 1 所述的燃料电池系统， 其中， 所述冷却系统包括 ： 散热器， 其用于冷却冷却剂 ； 冷却剂环， 其被构造成用以将冷却剂置于与所述燃料电池堆和所述散热器处于流体连 通 ； 冷却剂贮存器， 其与所述燃料电池堆和所述冷却剂环处于流体连通 ； 和 多个止回阀， 其沿着所述冷却剂环流。
5、体地设置。 3. 如权利要求 2 所述的燃料电池系统， 进一步包括 ： 温度传感器， 其用于传感所述冷却 系统内的冷却剂的温度， 其中所述冷却系统内的冷却剂温度的增加与所述冷却系统内的冷 却剂压力的增加相关。 4. 如权利要求 3 所述的燃料电池系统， 进一步包括 ： 压力调节器， 其用于调节所述第一 和第二反应气体流动路径的压力， 其中所述压力调节器进行操作用以基于所述冷却系统内 的冷却剂的温度来安排所述第一和第二反应气体流动路径的压力循环。 5. 如权利要求 4 所述的燃料电池系统， 进一步包括 ： 压力传感器， 其用于传感所述冷却 系统内的冷却剂的压力， 其中所述压力传感器作为反馈控制器。
6、进行操作， 用于安排所述第 一和第二反应气体流动路径的压力循环。 6. 如权利要求 2 所述的燃料电池系统， 其中， 止回阀被流体地设置成使得从所述燃料 电池堆排出的冷却剂的至少一部分被引导至所述散热器用于冷却。 7. 如权利要求 2 所述的燃料电池系统， 进一步包括 ： 冷却剂泵， 其与所述冷却剂环处于 流体连通， 其中所述冷却剂泵设置在所述散热器与所述燃料电池堆之间。 8. 一种交通工具， 包括如权利要求 1 所述的燃料电池系统。 9. 一种用于在燃料电池系统中泵送冷却剂的方法， 所述方法包括 ： 提供燃料电池堆， 其包括布置成堆叠构造的多个燃料电池， 每个燃料电池包括双极板 组件， 所述。
7、双极板组件包括 ： 第一板和第二板， 其具有设置于其间的内部冷却剂流动路径 ； 用于第一反应气体的流动路径， 其位于第一板的与所述内部冷却剂流动路径相对的一 侧 ； 和 用于第二反应气体的流动路径， 其位于第二板的与所述内部冷却剂流动路径相对的一 权 利 要 求 书 CN 103972524 A 2 2/2 页 3 侧 ； 检测冷却系统中的冷却剂泵失效 ； 将由所述燃料电池堆生成的最大允许功率降低至预先确定的极限 ； 以及 在所述内部冷却剂流动路径与所述第一和第二反应气体流动路径之间的循环压力差， 使得设置于所述双极板组件内的冷却剂的体积的膨胀和收缩发挥作用， 来泵送冷却剂穿过 所述冷却系统。。
8、 10. 一种燃料电池系统， 包括 ： 燃料电池堆， 其包括布置成堆叠构造的多个燃料电池， 每个燃料电池包括双极板组件， 所述双极板组件包括 ： 第一板和第二板， 其具有设置于其间的内部冷却剂流动路径 ； 用于第一反应气体的流动路径， 其位于第一板的与所述内部冷却剂流动路径相对的一 侧 ； 和 用于第二反应气体的流动路径， 其位于第二板的与所述内部冷却剂流动路径相对的一 侧 ； 和 冷却系统， 其被构造成用以将冷却剂置于与至少一个所述双极板组件处于热连通， 其 中所述冷却系统包括 ： 主系统， 由此使冷却剂泵将冷却剂循环穿过所述冷却系统 ； 和 后备系统， 由此所述内部冷却剂流动路径与所述第一。
9、和第二反应气体流动路径之间的 循环压力差使设置于所述双极板组件内的冷却剂的体积发生膨胀和收缩， 由此泵送冷却剂 穿过所述冷却系统。 权 利 要 求 书 CN 103972524 A 3 1/10 页 4 用于冷却燃料电池动力交通工具的系统和方法 技术领域 0001 本发明总体上涉及用于由氢供给燃料的交通工具的设备。更特别地， 本发明涉及 这样一种由氢供给燃料的交通工具， 其在冷却剂泵失效的情况下， 采用双极板组件内的冷 却剂的体积的膨胀和收缩， 来泵送冷却剂贯穿冷却系统。 背景技术 0002 电化学转化电池， 其一般被称为燃料电池， 是例如通过用空气中的氧使氢氧化来 处理反应物， 从而产生电能。
10、量。电动力被提供至电动机， 用于推进交通工具。由这种系统产 生的仅有副产物是纯水和余热(off-heat)。 余热一般通过液体冷却剂环和典型的汽车散热 器被废弃到环境。 氢是非常有吸引力的燃料， 因为它是清洁的， 并且它可被使用来在燃料电 池中有效地产生电力。 汽车工业已花费了显著的资源来开发氢燃料电池作为用于交通工具 的动力源。由氢燃料电池提供动力的交通工具将是更有效的， 并且比目前的采用内燃发动 机的交通工具产生更少的排放。 0003 在典型的燃料电池系统中， 氢或富氢气体被供应作为反应物穿过流动路径至燃料 电池的阳极侧， 而氧 ( 比如呈大气氧的形式 ) 被供应作为反应物穿过分离的流动路。
11、径至燃 料电池的阴极侧。通常呈比如铂等贵金属形式的催化剂被放置在阳极和阴极处， 用以促进 反应物向电子以及带正电离子 ( 对于氢 ) 和带负电离子 ( 对于氧 ) 的电化学转化。在一 个众所周知的燃料电池形式中， 阳极和阴极可以由一层导电性气态扩散介质 (GDM) 材料制 成， 在其上沉积有催化剂用以形成催化剂涂覆扩散介质 (CCDM)。电解质层使阳极与阴极分 离， 用以允许离子的选择性通过， 来从阳极传至阴极， 而同时阻止所生成的电子的通过， 其 相反被迫使流动穿过外部导电性电路 ( 比如负载 )， 用以在阴极处与带电离子重新结合之 前执行有用的工作。 带正电和带负电的离子在阴极处的结合导致。
12、作为反应的副产品的无污 染水的生成。在另一众所周知的燃料电池形式中， 阳极和阴极可以直接地形成在电解质层 上， 用以形成被称作膜片电极组件 (MEA) 的分层结构。 0004 一个类型的燃料电池， 其被称为质子交换膜片 (PEM) 燃料电池， 已对于交通工具 和相关的移动应用显示了特别是前景。PEM 燃料电池的电解质层呈固体质子透过性膜片 ( 比如全氟磺酸膜片， 其一个商用示例为 Nafion ) 的形式。不管是采用了以上的基于 MEA 的途径还是基于CCDM的途径， 通过电解质层与阴极分离的阳极的存在形成单个PEM燃料电 池 ； 许多这种单个电池可被组合以形成燃料电池堆， 从而增加其动力输出。
13、。 多个电池堆可被 联接在一起， 用以进一步增加动力输出。 0005 在燃料电池堆中， 多个燃料电池以电串联方式堆叠在一起， 同时被气体不可透过 的导电性双极板分离。 在一些情况下， 双极板是通过紧固一对薄金属片而形成的组件， 所述 一对薄金属片在它们的外面表面上形成有反应物流动路径。通常， 在双极板组件的金属板 之间提供有内部冷却剂流动路径。在 PEM 燃料电池中使用的类型的双极板组件的各种示例 在共同拥有的美国专利 No. 5,776,624 中有示出和描述， 其内容通过引用并入本文。 0006 通常， 与燃料电池堆相关联的冷却系统包括循环泵， 所述循环泵用于使液体冷却 说 明 书 CN 。
14、103972524 A 4 2/10 页 5 剂循环穿过燃料电池堆， 至费热能量 ( 即， 热 ) 被传递至环境之处的热交换器。典型液体冷 却剂的热性质要求 ： 相对较大的体积被循环穿过系统， 用以去除足够的废弃能量， 以便将电 池堆的温度维持在可接受的范围内， 特别是在最大功率条件的状态下。 然而， 冷却剂泵的失 效提出了显著的操作挑战。 当前， 当冷却剂泵失效被检测到时， 燃料电池系统一般在降低的 功率条件下操作， 用以限制热的产生， 直到最大温度阈值被超过。 一旦系统温度已达到最大 许容水平后， 系统被关闭。系统关闭可能使交通工具操作者处于困境， 导致走路回家的情 况。 0007 对于燃。
15、料电池动力交通工具的一个实际挑战是在冷却剂泵失效的情况下维持交 通工具动力。对于燃料电池系统存在这样一种需求， 其允许燃料电池动力交通工具在冷却 剂泵失效的情况下继续操作。 发明内容 0008 鉴于系统和技术的以上问题和其它问题， 本公开的一个目的是提供一种燃料电池 动力交通工具， 其利用双极板组件内的冷却剂体积的膨胀和收缩来泵送冷却剂贯穿燃料电 池动力交通工具的冷却系统， 特别是在冷却剂泵失效的情况下。 0009 在一个实施例中， 提供了一种燃料电池系统， 所述燃料电池系统包括 ： 燃料电池 堆， 其包括布置成堆叠构造的多个燃料电池， 每个燃料电池包括双极板组件， 所述双极板组 件包括 ： 。
16、第一板和第二板， 其具有设置于其间的内部冷却剂流动路径 ； 用于第一反应气体 的流动路径， 其处于第一板的与内部冷却剂流动路径相对的一侧 ； 和用于第二反应气体的 流动路径， 其处于第二板的与内部冷却剂流动路径相对的一侧 ； 和冷却系统， 其被构造成用 以将冷却剂置于与至少一个双极板组件处于热连通 ； 其中内部冷却剂流动路径与第一和第 二反应气体流动路径之间的循环压力差使设置于双极板组件内的冷却剂的体积发生膨胀 和收缩， 由此泵送冷却剂穿过冷却系统。 0010 在另一实施例中， 提供了一种用于在燃料电池系统中泵送冷却剂的方法， 所述方 法包括 ： 提供燃料电池堆， 其包括布置成堆叠构造的多个燃。
17、料电池， 每个燃料电池包括双极 板组件， 所述双极板组件包括 ： 第一板和第二板， 其具有设置于其间的内部冷却剂流动路 径 ； 用于第一反应气体的流动路径， 其位于第一板的与所述内部冷却剂流动路径相对的一 侧 ； 和用于第二反应气体的流动路径， 其位于第二板的与所述内部冷却剂流动路径相对的 一侧 ； 检测冷却系统中的冷却剂泵失效 ； 将由所述燃料电池堆生成的最大允许功率降低至 预先确定的极限 ； 以及在所述内部冷却剂流动路径与所述第一和第二反应气体流动路径之 间的循环压力差， 使得设置于所述双极板组件内的冷却剂的体积的膨胀和收缩发挥作用， 来泵送冷却剂穿过所述冷却系统。 0011 在另一实施例。
18、中， 提供了一种燃料电池系统， 所述燃料电池系统包括 ： 燃料电池 堆， 其包括布置成堆叠构造的多个燃料电池， 每个燃料电池包括双极板组件， 所述双极板组 件包括 ： 第一板和第二板， 其具有设置于其间的内部冷却剂流动路径 ； 用于第一反应气体 的流动路径， 其处于第一板的与内部冷却剂流动路径相对的一侧 ； 和用于第二反应气体的 流动路径， 其处于第二板的与内部冷却剂流动路径相对的一侧 ； 和冷却系统， 其被构造成用 以将冷却剂置于与至少一个双极板组件处于热连通， 其中所述冷却系统包括 ： 主系统， 由此 使冷却剂泵将冷却剂循环贯穿所述冷却系统 ； 和后备系统， 由此所述内部冷却剂流动路径 说。
19、 明 书 CN 103972524 A 5 3/10 页 6 与所述第一和第二反应气体流动路径之间的循环压力差使设置于所述双极板组件内的冷 却剂的体积发生膨胀和收缩， 由此泵送冷却剂穿过所述冷却系统。 0012 本发明还提供以下技术方案 ： 1. 一种燃料电池系统， 包括 ： 燃料电池堆， 其包括布置成堆叠构造的多个燃料电池， 每个燃料电池包括双极板组件， 所述双极板组件包括 ： 第一板和第二板， 其具有设置于其间的内部冷却剂流动路径 ； 用于第一反应气体的流动路径， 其位于第一板的与所述内部冷却剂流动路径相对的一 侧 ； 和 用于第二反应气体的流动路径， 其位于第二板的与所述内部冷却剂流动路。
20、径相对的一 侧 ； 和 冷却系统， 其被构造成用以将冷却剂置于与至少一个所述双极板组件处于热连通 ； 其中， 所述内部冷却剂流动路径与所述第一和第二反应气体流动路径之间的循环压力 差使设置于所述双极板组件内的冷却剂的体积发生膨胀和收缩， 由此泵送冷却剂穿过所述 冷却系统。 0013 2. 如技术方案 1 所述的燃料电池系统， 其中， 所述冷却系统包括 ： 散热器， 其用于冷却冷却剂 ； 冷却剂环， 其被构造成用以将冷却剂置于与所述燃料电池堆和所述散热器处于流体连 通 ； 冷却剂贮存器， 其与所述燃料电池堆和所述冷却剂环处于流体连通 ； 和 多个止回阀， 其沿着所述冷却剂环流体地设置。 0014。
21、 3. 如技术方案 2 所述的燃料电池系统， 进一步包括 ： 温度传感器， 其用于传感所述 冷却系统内的冷却剂的温度， 其中所述冷却系统内的冷却剂温度的增加与所述冷却系统内 的冷却剂压力的增加相关。 0015 4. 如技术方案 3 所述的燃料电池系统， 进一步包括 ： 压力调节器， 其用于调节所述 第一和第二反应气体流动路径的压力， 其中所述压力调节器进行操作用以基于所述冷却系 统内的冷却剂的温度来安排所述第一和第二反应气体流动路径的压力循环。 0016 5. 如技术方案 4 所述的燃料电池系统， 进一步包括 ： 压力传感器， 其用于传感所述 冷却系统内的冷却剂的压力， 其中所述压力传感器作为。
22、反馈控制器进行操作， 用于安排所 述第一和第二反应气体流动路径的压力循环。 0017 6. 如技术方案 2 所述的燃料电池系统， 其中， 止回阀被流体地设置成使得从所述 燃料电池堆排出的冷却剂的至少一部分被引导至所述散热器用于冷却。 0018 7. 如技术方案 2 所述的燃料电池系统， 进一步包括 ： 冷却剂泵， 其与所述冷却剂环 处于流体连通， 其中所述冷却剂泵设置在所述散热器与所述燃料电池堆之间。 0019 8. 如技术方案 7 所述的燃料电池系统， 其中， 所述多个止回阀包括 ： 第一止回阀， 其被流体地设置在所述燃料电池堆与所述冷却剂泵之间， 使得从所述燃料电池堆排出的冷 却剂基本上被。
23、禁止流动返回所述冷却剂泵。 0020 9. 如技术方案 8 所述的燃料电池系统， 其中， 所述多个止回阀包括 ： 第二止回阀， 其被流体地设置在所述燃料电池堆与所述散热器之间， 使得从所述燃料电池堆排出的冷却 说 明 书 CN 103972524 A 6 4/10 页 7 剂基本上被禁止流动返回所述燃料电池堆。 0021 10. 如技术方案 9 所述的燃料电池系统， 其中， 所述多个止回阀包括 ： 第三止回阀， 其被流体地设置在所述燃料电池堆与所述冷却剂贮存器之间， 使得从所述燃料电池堆排出 的冷却剂基本上被禁止流动返回所述燃料电池堆和所述冷却剂贮存器。 0022 11. 一种交通工具， 包括。
24、如技术方案 1 所述的燃料电池系统。 0023 12. 一种用于在燃料电池系统中泵送冷却剂的方法， 所述方法包括 ： 提供燃料电池堆， 其包括布置成堆叠构造的多个燃料电池， 每个燃料电池包括双极板 组件， 所述双极板组件包括 ： 第一板和第二板， 其具有设置于其间的内部冷却剂流动路径 ； 用于第一反应气体的流动路径， 其位于第一板的与所述内部冷却剂流动路径相对的一 侧 ； 和 用于第二反应气体的流动路径， 其位于第二板的与所述内部冷却剂流动路径相对的一 侧 ； 检测冷却系统中的冷却剂泵失效 ； 将由所述燃料电池堆生成的最大允许功率降低至预先确定的极限 ； 以及 在所述内部冷却剂流动路径与所述第。
25、一和第二反应气体流动路径之间的循环压力差， 使得设置于所述双极板组件内的冷却剂的体积的膨胀和收缩发挥作用， 来泵送冷却剂穿过 所述冷却系统。 0024 13. 如技术方案 12 所述的方法， 进一步包括以下步骤 ： 监测所述冷却系统内的冷 却剂温度， 用以确保冷却剂流速足以防止所述燃料电池堆的过热。 0025 14. 如技术方案 12 所述的方法， 进一步包括以下步骤 ： 监测所述冷却系统内的冷 却剂压力。 0026 15. 如技术方案 14 所述的方法， 进一步包括以下步骤 ： 基于所述冷却系统内的冷 却剂压力来安排压力差循环。 0027 16. 如技术方案 12 所述的方法， 其中， 循环。
26、压力差包括以下步骤 ： (a) 降低所述第一和第二反应气体流动路径相对于所述内部冷却剂流动路径的压力， 由此使所述第一板和第二板向外膨胀， 并增加设置于所述双极板组件内的冷却剂的体积 ； (b) 增加所述第一和第二反应气体流动路径相对于所述内部冷却剂流动路径的压力， 由此使所述第一板和第二板向内收缩， 并减小设置于所述双极板组件内的冷却剂的体积 ； 以及 (c) 顺次地重复步骤 (a) 和 (b)， 由此泵送冷却剂穿过所述冷却剂系统。 0028 17. 如技术方案 12 所述的方法， 其中， 循环压力差包括 ： 循环地降低和增加进入所 述燃料电池堆中的所述第一和第二反应气体流动路径的致动喷射器。
27、的频率。 0029 18. 如技术方案 12 所述的方法， 其中， 循环压力差包括 ： 循环地降低和增加进入所 述燃料电池堆中的所述第一和第二反应气体流动路径的喷射器的占空比。 0030 19. 一种燃料电池系统， 包括 ： 燃料电池堆， 其包括布置成堆叠构造的多个燃料电池， 每个燃料电池包括双极板组件， 所述双极板组件包括 ： 第一板和第二板， 其具有设置于其间的内部冷却剂流动路径 ； 说 明 书 CN 103972524 A 7 5/10 页 8 用于第一反应气体的流动路径， 其位于第一板的与所述内部冷却剂流动路径相对的一 侧 ； 和 用于第二反应气体的流动路径， 其位于第二板的与所述内部。
28、冷却剂流动路径相对的一 侧 ； 和 冷却系统， 其被构造成用以将冷却剂置于与至少一个所述双极板组件处于热连通， 其 中所述冷却系统包括 ： 主系统， 由此使冷却剂泵将冷却剂循环穿过所述冷却系统 ； 和 后备系统， 由此所述内部冷却剂流动路径与所述第一和第二反应气体流动路径之间的 循环压力差使设置于所述双极板组件内的冷却剂的体积发生膨胀和收缩， 由此泵送冷却剂 穿过所述冷却系统。 0031 20. 如技术方案 19 所述的燃料电池系统， 其中， 所述冷却系统包括 ： 散热器， 其用于冷却冷却剂 ； 冷却剂泵， 其用于循环冷却剂 ； 冷却剂环， 其被构造成用以将冷却剂置于与所述燃料电池堆、 所述冷。
29、却剂泵和所述散 热器处于流体连通 ； 冷却剂贮存器， 其与所述燃料电池堆和所述冷却剂环处于流体连通 ； 和 多个止回阀， 其沿着所述冷却剂环流体地设置。 0032 从阅读以下详细描述和所附权利要求书， 本领域技术人员将明白这些以及其它目 的、 特征、 实施例和优点。 附图说明 0033 图 1 是根据本发明一实施例的用于冷却燃料电池动力交通工具的系统的示意图。 0034 图2是双极板组件内的冷却剂区域的图示， 其中图2A是在阳极和阴极反应气体的 压力高于双极板组件内的冷却剂的压力的条件下发生收缩的冷却剂区域， 而图 2B 是在阳 极和阴极反应气体的压力低于双极板组件内的冷却剂的压力的条件下发生。
30、膨胀的冷却剂 区域。 0035 图 3 绘出了当冷却剂泵不操作时在绝对冷却剂压力 (kpa)、 由于热膨胀 ( 虚线， 210) 而产生的系统温度 ( ) 与板收缩 / 膨胀 ( 实线， 220) 之间的代表关系。 0036 图 4 绘出了基于实现 50kpa 压力循环而相对于电流密度 (A/cm2) 和喷射器频率 (Hz) 产生的潜在冷却剂流速 (lpm)。冷却剂流由实线 (310) 表示， 而喷射器频率由虚线 (320) 表示。 具体实施方式 0037 以下对涉及用于冷却燃料电池动力交通工具的方法和系统的本发明的实施例的 论述在本质上是示例性的， 并且并不旨在限制本发明或其应用和用途。 0。
31、038 如本文中所使用的， 术语 “燃料电池” 通常被使用来指单个电池或多个电池 ( 电池 堆 )， 取决于具体情境。多个个体电池通常被捆在一起用以形成燃料电池堆， 并且一般以电 串联方式布置成堆叠构造。 电池堆内的每个电池包括前面描述的MEA， 并且每个这种MEA提 供其电压增量。 说 明 书 CN 103972524 A 8 6/10 页 9 0039 如本文中所使用的， 术语 “反应气体” 是指向燃料电池提供还原或氧化材料的气 体。在本文中描述的实施例可包括第一反应气体和第二反应气体， 其对应于被输送至燃料 电池的阳极和阴极的反应气体。在某些实施例中， 阳极反应气体选自由氢或富氢气体组成。
32、 的组， 而阴极反应气体选自由氧或富氧气体比如空气组成的组。当第一反应气体是阳极反 应气体时， 第二反应气体是阴极反应气体。 当第一反应气体是阴极反应气体时， 第二反应气 体是阳极反应气体。 0040 当前实施例利用双极板组件内的冷却剂的体积由于内部冷却剂与外部阳极和阴 极反应气体之间的压力差而发生的膨胀和收缩， 以便在冷却剂泵失效的情况下泵送冷却剂 贯穿 (throughout) 燃料电池动力交通工具的冷却系统。 0041 图1是根据本发明一实施例的用于冷却燃料电池动力交通工具的系统100的示意 图。燃料电池堆 110 包括布置成堆叠构造的多个燃料电池 105。每个燃料电池 105 包括双 。
33、极板组件 ( 未示出 )。燃料电池堆 110 经由冷却剂环 170 与散热器 130 处于流体连通， 所述 冷却剂环 170 将来自燃料电池堆 110 的冷却剂大体引导至散热器 130、 并返回燃料电池堆 110。冷却剂泵 120 设置成沿着冷却剂环 170 处于散热器 130 与燃料电池堆 110 之间。在 一个实施例中， 冷却剂环170包括子环170A， 由此使从燃料电池堆110排出的冷却剂的一部 分绕过散热器 130， 并被引导至三路混合阀 160， 所述三路混合阀 160 设置成沿着冷却剂环 170 处于散热器 130 与冷却剂泵 120 之间。冷却剂贮存器 140 经由冷却剂贮存器线。
34、 180 与 燃料电池堆 110 和冷却剂环 170 处于流体连通。冷却剂贮存器子线 180A 流体地连接燃料 电池堆 110 与冷却剂贮存器 140。冷却剂贮存器子线 180B 流体地连接冷却剂贮存器 140 与 冷却剂环 170， 其中子线 180B 在散热器 130 与冷却剂泵 120 之间连接至冷却剂环 170。在 一个实施例中， 冷却剂贮存器子线 180B 在混合阀 160 与冷却剂泵 120 之间连接至冷却剂环 170， 然而本领域的技术人员将理解的是 ： 冷却剂贮存器子线180B可在冷却剂泵120上游的 任何位置处连接至冷却剂环 170。 0042 在冷却剂填充之后， 或者每当空。
35、气变得被俘获到系统中时， 冷却剂贮存器线 180 允许被俘获的空气泄放至冷却剂贮存器140。 线180连接至燃料电池堆110的最高点， 以便 相应地发挥功能。与所有其它冷却剂流线相比， 冷却剂贮存器线 180 的相对直径小。操作 期间， 很少的 ( 如果有的话 ) 冷却剂行进穿过冷却剂贮存器线 180， 但是该线允许空气逸出 返回冷却剂贮存器 140。 0043 系统100进一步包括多个止回阀150， 其流体地设置成沿着冷却剂环170和冷却剂 贮存器线180。 在一个实施例中， 第一止回阀150流体地设置成沿着冷却剂环170处于燃料 电池堆 110 与散热器 130 之间并提供阻力， 使得从燃。
36、料电池堆 110 排出的冷却剂基本上被 禁止流动返回到燃料电池堆 110 中 ； 第二止回阀 150 流体地设置成沿着冷却剂环 170 处于 冷却剂泵 120 与燃料电池堆 110 之间并提供阻力， 使得从燃料电池堆 110 排出的冷却剂基 本上被禁止流动返回到冷却剂泵 120 中 ； 并且第三止回阀 150 流体地设置成沿着冷却剂贮 存器线 180A 处于燃料电池堆 110 与冷却剂贮存器 140 之间并提供阻力， 使得从燃料电池堆 110排出的冷却剂基本上被禁止流动穿过冷却剂贮存器线180A返回到冷却剂贮存器140中 或返回到燃料电池堆 110 中。因此， 所述多个止回阀 150 促进来自。
37、燃料电池堆 110 的冷却 剂的泵送， 主要是向散热器 130 的方向。在冷却剂泵 120 失效的情况下， 被供应至燃料电池 堆 110 的阳极和阴极反应气体 ( 氢或富氢气体和空气或氧 ) 的压力被安排 (scheduled) 为 说 明 书 CN 103972524 A 9 7/10 页 10 相对于双极板组件内的冷却剂的压力进行循环。在一个形式中， 该安排可以基于基于处理 器的控制器 ( 未示出 )， 其在接收到来自传感器 ( 未示出 ) 的信号时， 可将适当的控制信号 发送至压缩器、 压力调节器 ( 或其它适当的泵送机构 )， 以便控制反应气体向 MEA 的相应侧 的输送。 在双极板组。
38、件外侧的反应气体流动路径与设置于双极板组件内的冷却剂之间的压 力差使双极板组件的板膨胀和收缩 ( 见下面的图 2)， 由此泵送冷却剂贯穿系统 100。当阳 极和阴极反应气体的压力高于燃料电池堆 110 内的冷却剂的压力时， 双极板组件收缩， 并 且冷却剂从燃料电池堆 110 排出， 主要是向散热器 130 的方向。止回阀 150 引导冷却剂流 穿过冷却剂环 170 和燃料电池堆 110。在一个实施例中， 止回阀是受弹簧加载的。可选地， 止回阀可以被整合到现有部件比如冷却剂泵 120 或燃料电池堆 110 中。 0044 图 2 是双极板组件的由于反应气体压力循环而经受膨胀和收缩的区域的图示。在。
39、 图 2A 中， 阳极和阴极反应气体 (RAN、 RCAT) 的流动路径被绘出在双极板组件 125 的外侧， 并且 冷却剂 115 设置在双极板组件 125 内。当阳极和阴极反应气体中的每个的压力 (PAN、 PCAT) 高于双极板组件125内的冷却剂115的压力(PCOOL)时， 双极板组件125的板向内收缩， 并且 冷却剂 115 从双极板组件排出。在图 2B 中， 阳极和阴极反应气体 (RAN、 RCAT) 的流动路径被 绘出在双极板组件 125 的外侧， 并且冷却剂 115 设置在双极板组件 125 内。当阳极和阴极 反应气体中的每个的压力 (PAN、 PCAT) 低于双极板组件 12。
40、5 内的冷却剂 115 的压力 (PCOOL) 时， 双极板组件 125 的板向外膨胀， 并且冷却剂 115 被吸到双极板组件 125 中。在冷却剂泵 120 失效的情况下， 阳极和阴极反应气体的压力 (PAN、 PCAT) 被安排成顺次地循环， 使得相对于双 极板组件 125 内的冷却剂 115 的压力来说的反应气体的较高和较低压力使双极板组件 125 循环地膨胀和收缩， 由此泵送冷却剂 115 穿过冷却系统。这样， 燃料电池堆 110 在冷却剂泵 120 失效的情况下作为冷却剂排代泵 (displacement pump) 发挥功能。 0045 冷却系统与环境压力隔离， 并且由于冷却剂在操。
41、作温度处的热膨胀， 而通常在环 境压力以上操作。图 3 绘出了绝对冷却剂压力 (kpa)、 由于热膨胀 ( 虚线 )210 而产生的系 统温度 ( ) 与电池堆压缩 ( 实线 )220 之间的代表关系。随着系统温度增加， 冷却剂压力 增加。压力上升由冷却系统中的冷却剂的体积和冷却剂贮存器罐中的气体体积来确定。反 应气体压力循环基于所测量的系统温度而被安排成用以实现燃料电池堆和冷却系统内的 泵送。例如， 最大反应气体压力可以被设定在线 220 以上， 而最小反应气体压力可以被设定 在线 210 之处或以下。在某些实施例中， 冷却剂系统中的压力传感器提供反馈控制来限定 反应气体压力循环。 0046。
42、 可使用在本文中提供的方法和系统来实现的冷却剂流速(flow rate)由反应气体 压力被调节的速率和冷却剂可流动进出燃料电池堆的速率来限定。在某些实施例中， 操作 条件将确定压力循环的速率。例如， 图 4 绘出了冷却剂流速 (lpm) 和喷射器频率 (Hz)， 其 基于实现 50kpa 压力循环相对于电流密度 (A/cm2) 生成。冷却剂流速 ( 实线 ) 由线 310 绘 出。喷射器频率 ( 虚线 ) 由线 320 绘出。冷却剂流速足以以降低的性能水平来防止燃料电 池堆过热。在某些实施例中， 可监测冷却剂温度， 来防止燃料电池堆过热。 0047 在一个实施例中， 提供了一种燃料电池系统， 。
43、所述燃料电池系统包括 ： 燃料电池堆 110， 其包括布置成堆叠构造的多个燃料电池 105， 每个燃料电池 105 包括双极板组件 125， 所述双极板组件 125 包括 ： 第一板和第二板， 其具有设置于其间的内部冷却剂流动路径 ； 用 于第一反应气体的流动路径， 其处于第一板的与内部冷却剂流动路径相对的一侧 ； 和用于 说 明 书 CN 103972524 A 10 8/10 页 11 第二反应气体的流动路径， 其处于第二板的与内部冷却剂流动路径相对的一侧 ； 和冷却系 统， 其被构造成用以将冷却剂置于与至少一个双极板组件 125 处于热连通 ； 其中内部冷却 剂流动路径与第一和第二反应气。
44、体流动路径之间的循环压力差使设置于双极板组件 125 内的冷却剂的体积发生膨胀和收缩， 由此泵送冷却剂穿过冷却系统。 0048 在一具体实施例中， 冷却系统包括 ： 散热器 130， 其用于冷却冷却剂 ； 冷却剂环 170， 其被构造成用以将冷却剂置于与燃料电池堆 110 和散热器 130 处于流体连通 ； 冷却剂 贮存器140， 其与燃料电池堆110和冷却剂环170处于流体连通 ； 和多个止回阀150， 其沿着 冷却剂环170流体地设置。 在一更具体的实施例中， 冷却系统进一步包括 ： 冷却剂泵120， 其 与冷却剂环 170 处于流体连通， 其中冷却剂泵 120 设置在散热器 130 与燃。
45、料电池堆 110 之 间。 0049 在再一实施例中， 止回阀 150 被流体地设置成使得从燃料电池堆 110 排出的冷却 剂的至少一部分被引导至散热器 130 用于冷却。多个止回阀 150 被定位成使得 ： 当双极板 组件 125 在燃料电池堆 110 内循环地膨胀和收缩时， 冷却剂被泵送贯穿冷却系统。在一个 实施例中， 燃料电池系统包括 ： 第一止回阀 150， 其被流体地设置在燃料电池堆 110 与冷却 剂泵120之间， 使得从燃料电池堆110排出的冷却剂基本上被禁止流动返回到冷却剂泵120 中。在再一实施例中， 燃料电池系统进一步包括 ： 第二止回阀 150， 其被流体地设置在燃料 电。
46、池堆 110 与散热器 130 之间， 使得从燃料电池堆 110 排出的冷却剂基本上被禁止流动返 回燃料电池堆110。 在再一实施例中， 燃料电池系统包括 ： 第三止回阀150， 其被流体地设置 在燃料电池堆 110 与冷却剂贮存器 140 之间， 使得从燃料电池堆 110 排出的冷却剂基本上 被禁止流动返回燃料电池堆 110。多个止回阀 150 发挥功能用以总体沿散热器 130 的方向 引导从燃料电池堆 110 排出的冷却剂。 0050 在另一实施例中， 燃料电池系统包括 ： 三路混合阀 160， 其被构造成用以控制冷却 剂在冷却系统中在子环 170A、 散热器 130 和燃料电池堆 110。
47、 之间的流动。 0051 在另一实施例中， 燃料电池系统进一步包括 ： 温度传感器 ( 未示出 )， 其用于传感 冷却系统内的冷却剂的温度， 其中冷却系统内的冷却剂温度的增加与冷却系统内的冷却剂 压力的增加相关。本领域的技术人员将理解的是 ： 传感器可贯穿冷却系统定位在各个位置 处， 以便监测冷却剂在其中的温度。例如， 在一个实施例中， 温度传感器定位在燃料电池堆 110 的入口处。 0052 在另一实施例中， 燃料电池系统进一步包括 ： 压力调节器 ( 未示出 )， 其用于调节 第一和第二反应气体流动路径的压力， 其中压力调节器进行操作用以基于冷却系统内的冷 却剂的温度来安排第一和第二反应气。
48、体流动路径的压力循环。 压力调节器本质上可为被动 的或主动的。例如， 在一个实施例中， 压力调节器是被动弹簧或作用力平衡膜片控制器。在 另一实施例中， 压力调节器是主动的基于处理器的控制器， 其在从传感器接收到信号时， 可 将适当的控制信号发送至压缩器、 喷射器或其它适当的泵送机构， 以便控制反应气体向燃 料电池 110 的输送。本领域的技术人员将理解的是 ： 压力调节器可贯穿燃料电池系统定位 在各个位置处， 以便调节第一和第二反应气体的压力。 在一个实施例中， 压力调节器定位在 反应气体流动路径进入燃料电池堆 110 中的入口处。 0053 在另一实施例中， 燃料电池系统进一步包括 ： 压力。
49、传感器 ( 未示出 )， 其用于传感 冷却剂在冷却系统内的压力， 其中所述压力传感器作为反馈控制器进行操作， 用于安排第 说 明 书 CN 103972524 A 11 9/10 页 12 一和第二反应气体流动路径的压力循环。本领域的技术人员将理解的是 ： 传感器可贯穿冷 却系统定位在各个位置处， 以便监测冷却剂在其中的压力。例如， 在一个实施例中， 压力传 感器定位在燃料电池堆 110 的入口处。 0054 在另一实施例中， 提供了一种交通工具， 其包括在本文中描述的燃料电池系统实 施例中的任一个。 0055 在另一实施例中， 提供了一种用于在燃料电池系统中泵送冷却剂的方法， 所述方 法包括 ： 提供燃料电池堆 110， 其包括布置成堆叠构造的多个燃料电池 105， 每个燃料电池 包括双极板组件 125， 所述双极板组件包括 ： 第一板和第二板， 其具有设置于其间的内部冷 却剂流动路径 ； 用于第一反应气体的流动路径， 其位于第一板的与所述内部冷却剂流动路 径相对的一侧 ； 和用于第二反应气体的流动路径， 其位于第二板的与所述内部冷却剂流动 路径相对的一侧。