冷却剂净化的制作方法
【专利说明】冷却剂净化
[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，它涉及一种燃料电池系统、一种用于燃料电池系统的冷却剂组件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。用于使氢和氧反应的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，以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)。因此在水进入燃料电池堆之前处理所述水以去除污染物是有益的。
[0005]一种清洁冷却剂的方式为使其穿过去离子化装置，所述装置用以从冷却剂中去除不需要的离子。这些离子可以其他方式有害地影响燃料电池堆，例如通过与聚合物电解质相互作用。去离子装置通常含有冷却水可通过的离子交换树脂(例如作为珠粒)。冷却剂中有害于燃料电池堆的离子被交换为较无害的离子。
[0006]清洁冷却剂的另一种方式为使用臭氧。臭氧为一种强力消毒剂并且可用于通过攻击并破坏细菌/微生物并抑制微生物生长来清洁污染的冷却水。
[0007]臭氧对于水消毒为理想的，但如果它与树脂接触将会降解离子交换树脂。因此，使用臭氧和去离子装置的组合来纯化燃料电池内的冷却水在目前并不可能。树脂的降解可能导致离子交换效率降低并且可能需要比未出现臭氧降解的情况更频繁地更换树脂。
[0008]根据一个方面，本发明提供一种燃料电池系统，所述燃料电池系统包括燃料电池堆、配置为将臭氧引入燃料电池系统的冷却剂内的臭氧生成器、联接至所述燃料电池堆的去离子装置、与所述去离子装置并行排列的旁路导管以及控制器。所述控制器被配置为基于臭氧生成器的运行状态控制冷却剂通过去离子装置或旁路导管流到燃料电池堆。
[0009]有利地是，所述旁路提供用于冷却剂到达燃料电池堆而不经过(并且可能损害)去离子装置的一个替代路径。
[0010]所述控制器可被配置为使得当确定冷却剂内的臭氧水平超过预定阈值时冷却剂经过所述旁路导管并且使得当确定冷却剂内的臭氧水平低于预定阈值时冷却剂经过去离子装置。
[0011 ]所述控制器可被配置为控制冷却剂流到燃料电池堆，以使得冷却剂在臭氧生成时段期间(在此期间所述臭氧生成器将臭氧引入冷却剂内)并在臭氧分解时段期间经过旁路导管。有利地是，当臭氧被引入冷却剂时并且当冷却剂内的臭氧不再引入但仍然存在且在冷却剂内分解时，冷却剂可通过旁路导管(避开去离子装置)供应到燃料电池堆。
[0012]所述控制器可被配置为控制冷却剂流到燃料电池堆，以使得冷却剂在臭氧生成时段和臭氧分解时段之外经过去离子装置。因此，有利地是，当臭氧水平处于适合的安全水平下(在臭氧生成时段和臭氧分解时段之外)时，它可经过用于离子交换路径的去离子装置，到达燃料电池堆。
[0013]臭氧分解时段可为冷却剂内的臭氧分解至低于阈值水平的臭氧水平的时间段。此时间段可固定或可通过控制器测定。
[0014]臭氧分解时段可由臭氧生成时段的持续时间确定(即，臭氧生成器运行的持续时间)。例如，可假设在某些运行条件下，冷却剂内的臭氧水平在包括臭氧生成时段功能的时间段(臭氧分解时段)之后将低于阈值水平。这可提供一种确定哪个臭氧生成时段可用于特定臭氧生成时段的简单方式。
[0015]控制器可被配置为通过控制阀门位置来指导冷却剂通过去离子装置或通过旁路导管，以控制冷却剂流到燃料电池。
[0016]燃料电池系统可包括通过去离子装置和旁路导管联接至燃料电池堆的冷却剂储罐。冷却剂储罐可被配置为接收含有臭氧的冷却剂。因此，有利地是，臭氧生成器可生成臭氧并将臭氧引入存储在冷却剂储罐内的冷却剂内，以使冷却剂臭氧化。在一些实施方案中，臭氧生成器可在冷却剂储罐之外并联接至所述冷却剂储罐。在一些实施方案中，臭氧生成器可被包括在冷却器储罐内。
[0017]控制器可被配置为引起臭氧生成器在冷却器内定期生成臭氧。在一些实施方案中，臭氧引入的周期可根据一种或多种运行条件来确定。
[0018]控制器可被配置为基于以下一种或多种引起臭氧生成器在冷却剂内动态生成臭氧:冷却剂内的细菌水平;冷却剂水平;冷却剂温度;冷却剂压力;燃料电池堆运行参数;堆电压、燃料电池系统内的燃料水平；以及燃料电池系统内的氧化剂水平。有利地是，臭氧可根据燃料电池系统运行条件引入冷却剂内；即，响应于目前的燃料电池系统运行。因此，如果特定参数指示冷却剂内的臭氧水平增加可有利于清洁冷却剂，则燃料电池系统可通过增加引入冷却剂内的臭氧的量来响应于该指示。
[0019]如果引入冷却剂内的臭氧的量增加，则控制器可相应地控制冷却剂流动，以使得冷却剂持续较大比例的时间流过旁路导管并持续较小比例的时间流过去离子装置。相反，如果引入冷却剂内的臭氧的量减少，则控制器可相应地控制冷却剂流动，以使得冷却剂持续较小比例的时间流过旁路导管并持续较大比例的时间流过去离子装置。
[0020]冷却剂可为水，例如纯净水或去离子水。
[0021]控制器可被配置为通过控制定位在去离子装置与燃料电池堆之间的止逆阀的位置来防止冷却剂从燃料电池堆流过去离子装置，以控制冷却剂流到燃料电池堆。
[0022]控制器被配置为通过控制定位在旁路导管与燃料电池堆之间的止逆阀的位置来防止冷却剂从燃料电池堆流过旁路导管，以控制冷却剂流到燃料电池。
[0023]燃料电池系统可包括配置为在冷却剂到达燃料电池堆之前照射冷却剂的紫外光光源。
[0024]臭氧生成器可通过电晕放电法、紫外光臭氧产生法、冷等离子体法或电解臭氧生成法来产生臭氧。
[0025]第一个