冷卻劑凈化的制作方法
【專利說明】冷卻劑凈化
[0001]本發(fā)明涉及設置成堆疊形式的電化學燃料電池，并且具體地說，涉及用于這類燃料電池堆的冷卻系統(tǒng)。具體地說，它涉及一種燃料電池系統(tǒng)、一種用于燃料電池系統(tǒng)的冷卻劑組件和一種包括所述燃料電池系統(tǒng)的交通工具。
[0002]常規(guī)電化學燃料電池將通常均為氣體流形式的燃料和氧化劑轉換成電能和反應產物。用于使氫和氧反應的常見類型的電化學燃料電池包括處于膜電極組件(MEA)內的聚合物離子轉移膜，也稱為質子交換膜(PEM)，其中燃料和空氣穿過所述膜的相應側面。質子(即氫離子)被傳導通過所述膜，由傳導通過連接燃料電池陽極和陰極的回路的電子加以平衡。為了增大可用電壓，形成包括多個電串聯(lián)布置的MEA的堆疊。每個MEA設置有分開的陽極流體流動路徑和陰極流體流動路徑。陽極流體流動路徑和陰極流體流動路徑分別將燃料和氧化劑傳送至膜。燃料電池堆通常是包括很多獨立的燃料電池板的塊形式，所述燃料電池板由位于所述堆疊的任一末端處的端板保持在一起。
[0003]因為燃料與氧化劑的反應產生熱量以及電力，所以一旦已達到操作溫度就需要冷卻燃料電池堆，以避免對燃料電池產生的損壞。冷卻可至少部分通過在陽極流體流動路徑(其用于使陽極水合)和/或與反應物水組合的陰極流體流動路徑中將冷卻劑(諸如水)傳送至堆疊內的獨立電池來實現(xiàn)。在每種情況下，可發(fā)生燃料電池的蒸發(fā)冷卻。
[0004]在典型的布置中，將冷卻水注入到燃料電池堆的陽極流體流動通道或陰極流體流動通道中。冷卻水必須是非常純凈的。如果將污染的冷卻水引入到燃料電池堆中，那么污染物可能嚴重影響燃料電池堆的性能并且可能降解堆疊內的部件。污染物可能為無機的(諸如金屬離子)和有機的(諸如有機污染物分子和細菌/微生物)。因此在水進入燃料電池堆之前處理所述水以去除污染物是有益的。
[0005]一種清潔冷卻劑的方式為使其穿過去離子化裝置，所述裝置用以從冷卻劑中去除不需要的離子。這些離子可以其他方式有害地影響燃料電池堆，例如通過與聚合物電解質相互作用。去離子裝置通常含有冷卻水可通過的離子交換樹脂(例如作為珠粒)。冷卻劑中有害于燃料電池堆的離子被交換為較無害的離子。
[0006]清潔冷卻劑的另一種方式為使用臭氧。臭氧為一種強力消毒劑并且可用于通過攻擊并破壞細菌/微生物并抑制微生物生長來清潔污染的冷卻水。
[0007]臭氧對于水消毒為理想的，但如果它與樹脂接觸將會降解離子交換樹脂。因此，使用臭氧和去離子裝置的組合來純化燃料電池內的冷卻水在目前并不可能。樹脂的降解可能導致離子交換效率降低并且可能需要比未出現(xiàn)臭氧降解的情況更頻繁地更換樹脂。
[0008]根據(jù)一個方面，本發(fā)明提供一種燃料電池系統(tǒng)，所述燃料電池系統(tǒng)包括燃料電池堆、配置為將臭氧引入燃料電池系統(tǒng)的冷卻劑內的臭氧生成器、聯(lián)接至所述燃料電池堆的去離子裝置、與所述去離子裝置并行排列的旁路導管以及控制器。所述控制器被配置為基于臭氧生成器的運行狀態(tài)控制冷卻劑通過去離子裝置或旁路導管流到燃料電池堆。
[0009]有利地是，所述旁路提供用于冷卻劑到達燃料電池堆而不經(jīng)過(并且可能損害)去離子裝置的一個替代路徑。
[0010]所述控制器可被配置為使得當確定冷卻劑內的臭氧水平超過預定閾值時冷卻劑經(jīng)過所述旁路導管并且使得當確定冷卻劑內的臭氧水平低于預定閾值時冷卻劑經(jīng)過去離子裝置。
[0011 ]所述控制器可被配置為控制冷卻劑流到燃料電池堆，以使得冷卻劑在臭氧生成時段期間(在此期間所述臭氧生成器將臭氧引入冷卻劑內)并在臭氧分解時段期間經(jīng)過旁路導管。有利地是，當臭氧被引入冷卻劑時并且當冷卻劑內的臭氧不再引入但仍然存在且在冷卻劑內分解時，冷卻劑可通過旁路導管(避開去離子裝置)供應到燃料電池堆。
[0012]所述控制器可被配置為控制冷卻劑流到燃料電池堆，以使得冷卻劑在臭氧生成時段和臭氧分解時段之外經(jīng)過去離子裝置。因此，有利地是，當臭氧水平處于適合的安全水平下(在臭氧生成時段和臭氧分解時段之外)時，它可經(jīng)過用于離子交換路徑的去離子裝置，到達燃料電池堆。
[0013]臭氧分解時段可為冷卻劑內的臭氧分解至低于閾值水平的臭氧水平的時間段。此時間段可固定或可通過控制器測定。
[0014]臭氧分解時段可由臭氧生成時段的持續(xù)時間確定(即，臭氧生成器運行的持續(xù)時間)。例如，可假設在某些運行條件下，冷卻劑內的臭氧水平在包括臭氧生成時段功能的時間段(臭氧分解時段)之后將低于閾值水平。這可提供一種確定哪個臭氧生成時段可用于特定臭氧生成時段的簡單方式。
[0015]控制器可被配置為通過控制閥門位置來指導冷卻劑通過去離子裝置或通過旁路導管，以控制冷卻劑流到燃料電池。
[0016]燃料電池系統(tǒng)可包括通過去離子裝置和旁路導管聯(lián)接至燃料電池堆的冷卻劑儲罐。冷卻劑儲罐可被配置為接收含有臭氧的冷卻劑。因此，有利地是，臭氧生成器可生成臭氧并將臭氧引入存儲在冷卻劑儲罐內的冷卻劑內，以使冷卻劑臭氧化。在一些實施方案中，臭氧生成器可在冷卻劑儲罐之外并聯(lián)接至所述冷卻劑儲罐。在一些實施方案中，臭氧生成器可被包括在冷卻器儲罐內。
[0017]控制器可被配置為引起臭氧生成器在冷卻器內定期生成臭氧。在一些實施方案中，臭氧引入的周期可根據(jù)一種或多種運行條件來確定。
[0018]控制器可被配置為基于以下一種或多種引起臭氧生成器在冷卻劑內動態(tài)生成臭氧:冷卻劑內的細菌水平;冷卻劑水平;冷卻劑溫度;冷卻劑壓力;燃料電池堆運行參數(shù);堆電壓、燃料電池系統(tǒng)內的燃料水平；以及燃料電池系統(tǒng)內的氧化劑水平。有利地是，臭氧可根據(jù)燃料電池系統(tǒng)運行條件引入冷卻劑內；即，響應于目前的燃料電池系統(tǒng)運行。因此，如果特定參數(shù)指示冷卻劑內的臭氧水平增加可有利于清潔冷卻劑，則燃料電池系統(tǒng)可通過增加引入冷卻劑內的臭氧的量來響應于該指示。
[0019]如果引入冷卻劑內的臭氧的量增加，則控制器可相應地控制冷卻劑流動，以使得冷卻劑持續(xù)較大比例的時間流過旁路導管并持續(xù)較小比例的時間流過去離子裝置。相反，如果引入冷卻劑內的臭氧的量減少，則控制器可相應地控制冷卻劑流動，以使得冷卻劑持續(xù)較小比例的時間流過旁路導管并持續(xù)較大比例的時間流過去離子裝置。
[0020]冷卻劑可為水，例如純凈水或去離子水。
[0021]控制器可被配置為通過控制定位在去離子裝置與燃料電池堆之間的止逆閥的位置來防止冷卻劑從燃料電池堆流過去離子裝置，以控制冷卻劑流到燃料電池堆。
[0022]控制器被配置為通過控制定位在旁路導管與燃料電池堆之間的止逆閥的位置來防止冷卻劑從燃料電池堆流過旁路導管，以控制冷卻劑流到燃料電池。
[0023]燃料電池系統(tǒng)可包括配置為在冷卻劑到達燃料電池堆之前照射冷卻劑的紫外光光源。
[0024]臭氧生成器可通過電暈放電法、紫外光臭氧產生法、冷等離子體法或電解臭氧生成法來產生臭氧。
[0025]第一個