包括抗微生物图案化表面的燃料电池系统的制作方法
【专利说明】包括抗微生物图案化表面的燃料电池系统
[0001] 本发明涉及设置成堆叠形式的电化学燃料电池，并且具体地说，涉及用于这类燃 料电池堆的冷却系统。具体地说，本发明涉及一种燃料电池系统、一种用于燃料电池系统的 抗微生物系统和一种包括所述燃料电池系统的交通工具。
[0002] 常规电化学燃料电池将通常均为气体流形式的燃料和氧化剂转换成电能和反应 产物。用于使氢与氧反应的一种常见类型的电化学燃料电池包括处于膜电极组件(MEA)内 的聚合物离子转移膜，也称为质子交换膜(PEM)，其中燃料和空气穿过所述膜的相应侧面。 质子(即氢离子)被传导通过所述膜，由传导通过连接燃料电池阳极和阴极的回路的电子加 以平衡。为了增大可用电压，形成包括多个电串联布置的MEA的堆叠。每个MEA设置有分开的 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，所述燃料 电池板由位于所述堆叠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以及电力，所以一旦已达到操作温度就需要冷 却燃料电池堆，从而避免对燃料电池产生的损坏。冷却可至少部分通过在阳极流体流动路 径(其用于使阳极水合)和/或与反应物水组合的阴极流体流动路径中将冷却剂(诸如水)传 送至堆叠内的独立电池来实现。在每种情况下，可发生燃料电池的蒸发冷却。
[0004] 在典型的布置中，将冷却水注入到燃料电池堆的阳极流体流动通道或阴极流体流 动通道中。冷却水必须是非常纯净的。如果将污染的冷却水引入到燃料电池堆中，那么污染 物可能严重影响燃料电池堆的性能并且可能降解堆叠内的部件。污染物可能为无机的（诸 如金属离子)和有机的(诸如有机污染物分子和细菌/微生物）。因此在冷却水进入燃料电池 堆之前处理冷却水以去除污染物是有益的。
[0005] 可使用臭氧作为强力的消毒剂以杀死水中的细菌/微生物。然而，使用臭氧消毒平 稳环境和受限环境(诸如备用电源系统和热电联供(CHP)系统）中的水可能并不总是可行 的，因为臭氧可为有害的。
[0006] 紫外(UV)光可用于杀死细菌/微生物。然而，使用UV光消毒水可能并不在所有情况 下均有效的。在燃料电池系统中，仅工艺流体（即，暴露于UV光的流体)可被UV光处理。如果 UV光未到达燃料电池系统中的水区域(诸如在储水罐中），那么该未暴露水未被UV光清洁。 此外，如果存在生物污染物聚集体(诸如生物膜），那么仅暴露表面可被UV光处理。
[0007] 需要在水经过燃料电池系统管道、机构和燃料电池堆之前，在水源处对水进行消 毒。因此，消毒贮水器/储水罐(如果使用的话)中的冷却水是需要的。如上文所提及的，使用 臭氧用于此目的并不总是可行的，并且UV照射当用于储水罐或类似冷却剂贮器中时可能是 无效的。
[0008] 根据本发明的一个方面，提供一种包括抗微生物图案化表面的燃料电池系统。抗 微生物图案化表面可为抗细菌的、抗真菌的和/或抗病毒的。有利的是，与例如表面材料中 的化学添加剂相反，抗微生物表面的图案化使其产生抗微生物特性。
[0009] 抗微生物图案化表面可通过微生物在所述表面上的附着和生长/发育来抑制微生 物生长。浮雕图案可使得微生物(诸如细菌)不能在表面上繁殖和/或聚集在一起。这可抑制 生物膜在燃料电池系统内的表面上的形成和扩散。通过抑制微生物生长和生物膜形成，可 使燃料电池系统中的冷却剂保持纯净。
[0010]燃料电池系统可包括:燃料电池堆;冷却剂1C器；以及构造成将冷却剂从冷却剂贮 器供应到燃料电池堆的冷却剂流动路径;其中所述燃料电池堆、所述冷却剂贮器和所述冷 却剂流动路径中的一种或多种包括抗微生物图案化表面。
[0011]抗微生物图案化表面可包括用于抑制微生物生长的微米级波纹或脊(连续的或不 连续的）。微米级波纹各自的宽度可为在1与1〇〇微米之间、10与1〇〇微米之间以及可能在2与 25微米之间。微米级波纹可跨过它们的宽度分开一定间距，所述间距在1与100微米、10与 100微米之间以及可能在2与25微米之间。微米级波纹各自的深度可为在1与100微米、10与 100微米之间以及可能在2与20微米之间。抗微生物图案化表面可包括单元浮雕图案。这是 有利的，因为图案化表面的重复单元提供了有效的制造。
[0012] 抗微生物图案化表面的平均粗糙度系数可为2与30之间，所述平均粗糙度系数根 据实际表面积与几何表面积的比率来确定(在一些实施例中，平均粗糙度系数可大于30)。 有利的是，图案化表面可以诸如防止微生物在燃料电池系统内的聚集和发育/扩散的方式， 被设计并制造为具有特定表面浮雕图案化、具有形成有特定微米级尺寸的图案的表面浮雕 结构。
[0013] 抗微生物图案化表面可为化学上惰性的。有利的是，所述表面由于特定表面图案 化而可具有抗微生物特性，从而提供无抗微生物化学试剂的抗微生物表面。保持纯净的冷 却剂供应到燃料电池系统中的燃料电池堆可能为希望的。
[0014] 抗微生物图案化表面可为化学上抗微生物的。有利的是，所述表面可因特定表面 图案化并且因化学活性的抗微生物试剂而具有抗微生物特性。因此，在燃料电池系统中可 使用因图案化表面而可抑制微生物生长且因化学抗微生物特性而可杀死现存微生物）的 "双重作用"抗微生物表面。
[0015] 冷却剂可为水，特别是纯净水或去离子水。
[0016] 燃料电池系统可包括布置在用于将冷却剂供应到燃料电池堆的冷却剂流动路径 中的紫外光源，所述UV光源被定位在所述燃料电池堆的上游。有利的是，使用配置为杀死存 在于燃料电池系统的冷却剂流动路径中的微生物的UV光源可使纯净的冷却剂供给到燃料 电池堆，并且与抗微生物图案化表面一起作用良好，所述图案化表面有助于减少UV光不能 穿透的生物膜和类似物的堆积。
[0017] 燃料电池系统可包括布置在用于将冷却剂供应到燃料电池堆的冷却剂流动路径 中的去离子装置，所述去离子装置被定位在所述燃料电池堆的上游。有利的是，使用与燃料 电池系统中的冷却剂进行离子交换的去离子装置可使纯净的冷却剂供给到燃料电池堆，并 且与抗微生物图案化表面一起作用良好，以确保所述去离子装置不会被包覆在生物膜中配 置为。去离子装置可为去离子柱。
[0018] 去离子装置可被定位在自紫外光源的下游并定位在燃料电池系统中的燃料电池 堆的上游。有利的是，冷却剂可使用UV光消灭冷却剂中的微生物来进行清洁，然后在到达燃 料电池堆处之前，使冷却剂经过去离子装置以进行离子交换。
[0019 ]燃料电池系统可包括布置在用于将冷却剂供应到燃料电池堆的冷却剂流动路径 中的过滤器，所述过滤器被定位在所述燃料电池堆的上游。
[0020] 燃料电池系统可包括：用于运输燃料电池系统中的冷却剂的冷却剂流动路径;配 置为测定冷却剂流动路径中的冷却剂压力的压力计;定位在冷却剂流动路径中的栗；以及 配置为控制所述栗的控制器;其中所述控制器可被配置为接收来自所述压力计的压力值并 且基于所述压力值使用所述栗控制冷却剂流动路径中的冷却剂流量。有利的是，如果冷却 剂流动路径中的压力降低，那么控制器可控制栗来增加冷却剂流量。
[0021] 燃料电池系统可包括：用于运输燃料电池系统中的冷却剂的冷却剂流动路径;配 置为测定冷却剂流动路径中的冷却剂温度的温度计;定位在冷却剂流动路径中的栗；以及 配置为控制所述栗的控制器;其中所述控制器可被配置为接收来自所述温度计的温度值并 且基于所述温度值使用所述栗控制冷却剂流动路径中的冷却剂流量。有利的是，如果冷却 剂流动路径中的温度升高，那么所述控制器可控制栗来增加冷却剂流量。
[0022] 在本发明的另一方面中，提供一种包括如本文所公开的燃料电池系统的交通工 具。
[0023] 在本发明的另一方面中，提供一种用于如本文所公开的燃料电池系统的抗微生物 系统。这种系统可为例如连接到燃料电池系统的冷却剂贮器。所述冷却剂贮器可包括抗微 生物图案化表面。
[0024] 根据另一个方面，本发明提供一种包括如本文所公开的燃料电池系统的交通工 具。
[0025] 现将借助实施例并参照附图来描述本发明的实施方案，在附图中：
[0026] 图la-图lc示出包括抗微生物图案化表面的燃料电池系统的示意图；
[0027] 图2a_图2b示出示例性抗微生物图案化表面的示意图；
[0028] 图3a_图3c示出包括抗微生物图案化表面、紫外光源和/或去离子装置的燃料电池 系统的不意图；
[0029]图4a_图4c示出包括抗微生物图案化表面、过滤器和/或栗的燃料电池系统的示意 图；并且
[0030]图5a-图5b示出包括抗微生物图案化表面和其他部件的燃料电池系统的示意图。 [0031]以下所述的各实施方案包括具有燃料电池堆102; 302; 402; 502、冷却剂贮器104; 304; 404; 504、以及将冷却剂从所述贮器104; 304; 404; 504供应到所述燃料电池堆102; 302; 402;502的冷却剂流动路径106;306;406;506的燃料电池系统100 ;300;400;500。在燃料