供给燃料电池堆的冷却剂流体的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及设置成堆叠形式的电化学燃料电池，并且具体地说，设及用于该类燃 料电池堆的冷却系统。
【背景技术】
[0002] 常规电化学燃料电池将通常均为气流形式的燃料和氧化剂转换成电能和反应产 物。用于使氨和氧反应的普通类型电化学燃料电池包括位于膜电极组件（MEA)内的聚合 物离子转移膜，也叫质子交换膜（PEM)，其中使燃料和空气经过所述膜的相应侧。质子（即 氨离子）被传导通过所述膜，由传导通过连接燃料电池的阳极和阴极的电路的电子加W平 衡。为了增大可用电压，形成包括若干电串联布置的MEA的堆。每一个MEA具备分开的阳 极流体流动路径和阴极流体流动路径。阳极流体流动路径和阴极流体流动路径分别将燃料 和氧化剂传送至膜。燃料电池堆通常是包括很多独立的燃料电池板的块形式，该些燃料电 池板由位于所述堆的任一末端处的端板保持在一起。
[0003] 因为燃料与氧化剂的反应产生热量W及电能，所W-旦已达到操作温度就需要冷 却燃料电池堆，W避免对燃料电池的破坏。冷却可W至少部分通过在阳极流体流动路径中 (其用于使阳极水合）将水传送至所述堆的独立电池和/或在阴极流体流动路径中将水传 送至所述堆的独立电池（其与反应物水化合）来实现。在每一种情况下，可发生燃料电池 的蒸发冷却。
[0004] 在典型的布置中，将冷却水从沿着燃料电池堆的侧面延伸的一个或多个普通歧管 注入到阳极流体流动通道或阴极流体流动通道中。由于该类歧管内的水流速，引起了潜在 的问题。可将水送入到歧管的一个末端处的入口中，水从该个入口被送入到所述堆的独立 电池中。该就导致沿着歧管远离入口处的水流速的减少。如果，例如100电池堆需要在所述 堆的一个末端处传送lOOml/min的流量，在第一个电池处，歧管中的流速将为lOOml/min， 在第50个电池之后，歧管中的流速可能大概为50ml/min，并且在最后的电池处，歧管中的 流速可为仅仅Iml/min。歧管中如此低的流量，例如Iml/min，可能导致燃料电池堆的可靠 性问题。在停滞或接近停滞的流动区域内，由于增加的腐蚀风险（尤其是当使用去离子水 时）化及增加的细菌积累风险，可能发生问题。
[0005] 将水传送至燃料电池堆（尤其是用于如上所述的蒸发冷却）的另一个潜在问题 是，所需的总体水流速随燃料电池上的电流需求而变。对于低的堆电流，水流量要求可W非 常低。提供水流的水累即使是在低流量情况下也应当能够可靠地传送适当的流速。一些水 累具有最小下止点（即，最小流速），该个流速高于低电流情况下的燃料电池堆操作可能所 需要的流速。在低电流和超过必需的较高水流量下运行可W导致燃料电池过早地浸水。于 是，当电流需求升高并且电池负载时，堆的性能受到限制。随着燃料电池堆的尺寸增加，可 能越来越难W实现由高至低水流速的所需范围，并且许多累不能够实现所需的大调节比， 即所需最大水流速与所需最小水流速的比。
【发明内容】
[0006] 本发明的目标是提供对上述问题中的至少一个或多个的解决方案。本发明的目标 是减少或消除由水分配歧管中非常低的流量引起的问题。本发明的目标是提供用于在燃料 电池堆上的高电流需求和低电流需求两种情况下维持适当的冷却水流量水平的解决方案。
[0007] 根据一个方面，本发明提供一种燃料电池堆组件，其包括：
[000引多个电池，每一个电池具有流体冷却剂管道；
[0009] 冷却剂进料歧管，其具有第一入口和第二入口并且还连接至每一个流体冷却剂管 道W便在每一个电池内分配流体冷却剂；
[0010] 累，其被连接W便将流体冷却剂通过第一入口和第二入口传送至冷却剂进料歧 管；W及
[0011] 流量控制组件，其被配置来定期变更通过第一入口和第二入口的流体冷却剂的相 对流速。
[0012] 流量控制组件可被配置来在第一入口和第二入口之间定期改变歧管内的流体压 力平衡点。流量控制组件可至少包括在累和第一入口之间的第一变流限制器，所述第一变 流限制器被配置来调节对累和第一入口之间的流体冷却剂流的阻抗。流量控制组件可包括 第二变流限制器，所述第二变流限制器被配置来调节对累和第二入口之间的流体冷却剂流 的阻抗。流量控制组件可包括设置在累和歧管之间的多向阀，其被配置来定期在引导流体 冷却剂通过第一入口和引导流体冷却剂通过第二入口之间切换。流量控制组件可W适于定 期在第一配置和第二配置之间重新配置累与第一入口和第二入口之间的流动路径，在所述 第一配置中，来自累的流体流主要被引导至第一入口，并且在所述第二配置中，来自累的流 体流主要被引导至第二入口。流量控制组件可包括至少两个变流限制器，其被配置来定期 交替通过第一入口和第二入口的主导性冷却剂流体流。流量控制组件可包括；第一流动路 径，其在累和第一入口间、具有对冷却剂流量的第一阻抗；第二流动路径，其在累和第二入 口间、具有对冷却剂流量的第二阻抗，其中第一阻抗不同于第二阻抗；和控制器，其用于改 变通过第一流动路径和第二流动路径传送至歧管的总流量，W使得歧管内的水压力平衡点 在第一入口和第二入口之间改变。用于改变传送至歧管的水的总体积的控制器可包括W下 中的任何一个或多个；用于改变累速的累控制器；在第一流动路径和第二流动路径所共有 的流动路径部分中的变流限制器；W及控制燃料电池堆的操作参数的堆控制器。第一阻抗 和第二阻抗中的至少一个可通过变流限制器来改变。第一入口和第二入口可分别接近所述 堆的第一末端和第二末端。燃料电池堆组件可包括在累与第一入口和第二入口中的至少一 个之间的可切换排出管，其被配置来定期将累所提供的冷却剂流体的至少一部分转移到排 出管。可切换排出管可包括设置在累与第一入口和第二入口之间的多向阀，所述多向阀被 配置来在W下情况之间切换；a)将第一入口连接至累；b)将第二入口连接至累；W及C)将 排出管线连接至累。可切换排出管可包括设置在累与第一入口和第二入口中的至少一个之 间的流动路径中的多向阀。排出管可连接至再循环系统，W便使冷却剂流体的至少一部分 返回到累。累可包括第一累和第二累，所述第一累被连接W便将流体冷却剂通过第一入口 传送至冷却剂进料歧管，并且所述第二累被连接W便将流体冷却剂通过第二入口传送至冷 却剂进料歧管，并且其中流量控制组件包括被配置来W有差别的速度来操作第一累和第二 累的控制器。
[0013] 根据另一个方面，本发明提供一种燃料电池堆组件，其包括：
[0014] 多个电池，每一个电池具有流体冷却剂管道；
[0015] 冷却剂进料歧管，其至少具有第一入口并且还连接至每一个流体冷却剂管道W便 在每一个电池内分配流体冷却剂；
[0016] 累，其连接至第一入口W便将流体冷却剂通过流动路径传送至冷却剂进料歧管； W及
[0017] 累和歧管之间的流量控制组件，其适于定期中断累和歧管之间的流动路径，W使 得流体冷却剂间歇式地传送至歧管。
[0018] 流量控制组件可包括被配置来在至少第一入口和排出管之间切换累的输出的多 向阀。冷却剂进料歧管可包括第二入口，所述第二入口连接至累W便将流体冷却剂通过第 二入口传送至冷却剂进料歧管；并且流量控制组件可包括多向阀，所述多向阀被配置来将 累的输出切换至W下中的任何一个；i)第一入口；ii)第二入口；W及iii)排出管。排出 管可连接至再循环系统，W便使冷却流体返回到累的入口。冷却剂进料歧管可包括第二入 口，所述第二入口也连接至累W便将流体冷却剂传送至冷却剂进料歧管，并且流量控制组 件可被配置来定期变更通过第一入口和第二入口的相对流速。流量控制组件可包括被配置 来在至少第一入口和封闭端之间切换累的输出的多向阀。冷却剂进料歧管可W还包括第 二入口，所述第二入口连接至累W便将流体冷却剂通过第二入口传送至冷却剂进料歧管； 并且流量控制组件可包括多向阀，所述多向阀被配置来在W下之间切换累的输出；i)第一 入口；ii)第二入口；W及iii)封闭端。燃料电池堆组件可包括用于在第一操作模式和第 二操作模式之间切换所述组件的控制器，在第一操作模式中流体冷却剂被连续地传送至歧 管，并且在第二操作模式中流体冷却剂被间歇式地传送至歧管。
[0019] 根据另一个方面，