冷却剂净化的制作方法

本申请是申请日为2014年8月6日、名称为“冷却剂净化”的中国专利申请201480045170.x的分案申请。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

冷却剂可为水，例如纯净水或去离子水。

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。

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。

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。

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。

第一个方面的臭氧生成器、去离子装置、旁路导管和控制器可一起形成燃料电池的冷却剂处理组件/装置。

根据另一个方面，本发明提供一种用于燃料电池系统的冷却剂组件，所述冷却剂组件包括：

被配置为将臭氧引入冷却剂内的臭氧生成器；

被配置为联接到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

被配置为基于臭氧生成器的运行状态来控制冷却剂通过去离子装置或旁路导管流到燃料电池堆。

冷却剂组件当与燃料电池堆组合时可形成燃料电池系统的一部分。因此，本发明的第一方面的任选特征同样适用于本发明的该方面。

根据另一个方面，本发明提供一种包括如本文所述的燃料电池系统的交通工具。

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：

图1a-图1b示出一种示例性燃料电池系统的示意图，所述燃料电池系统包括燃料电池堆、冷却剂储罐、臭氧生成器、去离子装置、旁路导管和控制器，其中冷却剂流被指导通过去离子装置或旁路导管；

图2示出一种示例性燃料电池系统的示意图，所述燃料电池系统包括过滤器、泵、止逆阀、流量计以及压力和温度传感器；

图3示出一种包括uv光源的示例性燃料电池系统的示意图；并且

图4示出臭氧生成器的运行状态、旁路导管的运行状态、去离子装置的运行状态、冷却剂的传导性以及冷却剂内的细菌水平随着时间变化的示例性示意图。

以下所述的不同实施方案包括燃料电池堆102、冷却剂储罐110、臭氧生成器114、去离子装置104、旁路导管116以及控制器106，其中冷却剂流被指导通过去离子装置104或旁路导管116。控制器106被配置为基于臭氧生成器114的运行状态来控制冷却剂通过去离子装置104或旁路导管116流到燃料电池堆102。

以下讨论使用术语“冷却剂”。技术人员应了解，水(特别是纯净水或去离子水)可用作合适的冷却剂，但是实施方案不需要局限于使用水作为合适的冷却剂。

本文所述的实施方案提供使用臭氧和去离子装置二者对燃料电池系统内的冷却剂进行清洁。臭氧可用于通过从冷却剂内减少细菌/微生物来消毒冷却剂。去离子装置可用于从冷却剂中去除不需要的离子，所述离子可能有害地影响燃料电池堆的运行。因此本发明有利地通过允许进行多个冷却剂清洁过程，即使用臭氧和去离子装置来提供改进的燃料电池堆组件，同时确保臭氧接触去离子装置内的离子交换树脂的机会很少或为零。臭氧可以其他方式降解树脂并降低去离子装置从冷却剂内去除不需要的离子的效率。

本文所公开的实施方案是指去离子装置。该术语意图涵盖被配置为通过将可能有害于燃料电池堆的离子交换为对燃料电池堆较无害的离子来清洁冷却剂的任何去离子装置。例如，可使用包含离子交换树脂或其他离子交换机制的任何适合的去离子装置，诸如去离子柱。

图1a和图1b示出根据本发明的实施方案的包括燃料电池堆102的燃料电池系统100的侧面示意图。系统100包括配置为将臭氧引入燃料电池系统100的冷却剂内的臭氧生成器114。在该实施例中臭氧生成器114位于冷却剂储罐110外部并联接至所述冷却剂储罐，所述冷却剂储罐进而通过冷却剂导管108联接到去离子装置104和旁路导管116。旁路导管116绕开去离子装置104，以使得冷却剂可从冷却剂储罐110不经过去离子装置104而行进到燃料电池堆102。在其他实施例中，臭氧生成器114可位于燃料电池系统的任何位置，诸如冷却剂储罐110内。

去离子装置104和旁路导管116并行联接到燃料电池堆102。冷却剂从冷却剂储罐110通过去离子装置104或通过旁路导管116流到燃料电池堆102。冷却剂流使用位于冷却剂导管108的分支的阀118进行指导。阀118由控制器106控制。阀108具有其中它指导冷却剂从冷却剂导管108流到去离子装置104的第一位置和其中它指导冷却剂从冷却剂导管108流到旁路导管116的第二位置。

图1a显示所述阀处于第一位置，使得冷却剂从冷却剂储罐110通过去离子装置104流到燃料电池堆102，而不通过旁路导管116。图1b显示所述阀处于第二位置，使得冷却剂从冷却剂储罐110通过旁路导管116流到燃料电池堆102，而不通过去离子装置104。

控制器106被配置为控制冷却剂从冷却剂储罐110流到燃料电池堆102。流动路径基于臭氧生成器114的运行状态来确定。控制器106控制阀118的位置，以使得当冷却剂内存在臭氧(超过预定阈值)时那么臭氧化的冷却剂行进通过旁路导管116而不通过去离子装置104。当冷却剂内不存在臭氧(或臭氧水平低于预定阈值)时那么冷却剂行进通过去离子装置104而不通过旁路导管116。因此，本文所述的实施方案提供使用臭氧和去离子装置进行冷却剂纯化的益处，同时提供指导含有臭氧的冷却剂远离去离子装置104，所述臭氧可以其他方式降解去离子装置104内的离子交换树脂。

控制器106被配置为通过控制阀118的位置来指导冷却剂通过去离子装置104或通过旁路导管116，以控制冷却剂流到燃料电池堆102。在该实施例中控制器106被配置为控制冷却剂流到燃料电池堆102，以使得冷却剂在臭氧生成时段和臭氧分解时段期间经过旁路导管116，并且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104。参考图4更详细地讨论此情况。

控制器可被配置为控制臭氧生成器114，并且可通过连接120发送信号到臭氧生成器114，以接通和切断臭氧生成器114。可根据燃料电池系统的一个或多个运行参数定期或动态进行切换。例如，臭氧生成器114可接通10分钟，然后切断50分钟，然后再次接通10分钟，以此类推。

臭氧生成时段为臭氧生成器114在冷却剂内生成臭氧的时间段(即，当臭氧生成器114接通时)。臭氧分解时段为冷却剂内的臭氧分解(通过氧化)的时段。臭氧分解时段可具有一个持续时间，以使得在臭氧分解时段结束时，臭氧的量保持低于可接受的阈值水平。臭氧生成器114在臭氧分解时段期间切断，但在臭氧生成器114切断之后臭氧仍存在于冷却剂内，持续有限的时间段。臭氧水平将随着时间通过臭氧分子分解而降低。

臭氧分解时段可为基于臭氧生成时段而固定的时间段。例如，如果臭氧生成器114每小时接通十分钟，则可确定臭氧分解时段为15分钟，并且在该15分钟时段之后，冷却剂内保留的臭氧水平为足够低的，使得冷却剂可经过去离子装置而不因存在臭氧而显著降解离子交换树脂。在该实施例内，阀118可处于图1b所示的第二位置，以使得冷却剂持续25分钟被指导通过旁路导管116(10分钟臭氧生成时段接着15分钟臭氧分解时段)。阀118然后可移动位置到图1a所示的第一位置上，以使得冷却剂持续35分钟被指导通过去离子装置104。在该一个小时的循环之后，阀118可移回第一位置并重复每小时的循环。指导冷却剂流114的这个固定循环可被视为对冷却剂流的静态控制，因为它并不取决于任何燃料电池系统的运行参数。

在其他实施例中，臭氧分解时段可基于一个或多个其他因素诸如冷却剂温度来确定，如关于图2所讨论的。臭氧生成时段和/或臭氧分解时段以及因此的冷却剂流动路径可通过控制器106依赖于燃料电池系统运行来调节。这可视为对冷却剂流的静态控制，因为通过去离子装置104或旁路导管116的冷却剂流动路径根据控制器106接收的燃料电池系统运行参数即时确定。

图2示出如图1a和图1b所示地构建的燃料电池系统100的示例性实施方案的侧面示意图。相同的参考数字用于类似的部分。系统100包括联接到冷却剂储罐/水罐110的臭氧生成器114。水罐110通过冷却剂导管108内的过滤器128、泵126和流量计130联接到去离子装置104和旁路导管116。

过滤器128可用于在冷却剂到达燃料电池堆102之前过滤所述冷却剂，例如通过去除有机污染物，诸如死菌。过滤器128定位在去离子装置104和燃料电池堆102的上游，例如以过滤掉细菌碎片并防止他进入去离子装置104。泵126可用于将冷却剂从冷却剂储罐110泵送到燃料电池堆102并且在该实施例中通过控制器106进行控制。流量计130提供对控制器的反馈并指示冷却剂在冷却剂路径108内流动。

使用控制器106控制的阀118指导冷却剂流过去离子装置104或旁路导管116。

在该实施例内，控制器106联接到数据采集卡(daq)138，以从燃料电池系统100的传感器进行数据采集。在此实施例中，daq138联接到压力传感器136和温度计134，以接收来自冷却剂储罐110与阀118之间的冷却剂流动路径108的压力读数和温度读数。温度传感器134可用于测定冷却剂温度，并且控制器106可使用冷却剂温度降臭氧动态引入冷却剂。例如，随着温度增加臭氧分解更快，因此如果温度传感器指示温度增加，控制器106可引起臭氧生成器114将更多臭氧引入冷却剂内，以抵消臭氧分解更快的影响。压力传感器136可用于测定冷却剂压力并且控制器可基于冷却剂压力将臭氧动态引入冷却剂内。例如，较低冷却剂压力可指示较低流速，因此控制器106可控制臭氧生成器114产生较少引入冷却剂的臭氧。

在其他实施例中，控制器106(或daq138)可联接到用于测定冷却剂内的细菌水平的细菌水平计和/或用于测定燃料电池系统100内的冷却剂水平的冷却剂水平计。例如，控制器106可引起臭氧生成器响应于细菌水平增加而生成更多臭氧，以将臭氧引入冷却剂内。

在该实施例内控制器106也联接到燃料电池堆102，例如以接收燃料电池堆运行参数，诸如堆电压、氢水平或氧水平。控制器106可使用堆电压在冷却剂内动态生成臭氧。例如，较低堆电压可指示提高冷却剂纯度需要更多臭氧并且因此更多臭氧可引起堆电压增加。

而且在该实施例中，第二阀132存在于去离子装置104、旁路导管116余燃料电池堆102之间的冷却剂路径108内。该第二阀132可联接到控制器106和/或阀118，以接收指示第二阀132所需要的位置的信号。第二阀132可为三通阀，并且可视为止逆阀132，因为它可用于防止从燃料电池堆102回流到去离子装置104和旁路导管116。例如，第二阀132可被定位为防止从燃料电池堆回流到去离子装置和/或旁路导管。

在该实施例内，阀118和阀132通过控制器106组合开启。控制器106被配置为通过控制定位在去离子装置104与燃料电池堆102之间的止逆阀132的位置来防止冷却剂从燃料电池堆102回流到去离子装置104，以控制冷却剂流到燃料电池堆102。控制器106也被配置为通过控制定位在旁路导管116燃料电池堆102之间的止逆阀132的位置来防止冷却剂从燃料电池堆102回流通过旁路导管116，以控制冷却剂流到燃料电池堆102。因此，同一个止逆阀132当阀118指导流通过旁路导管118时用于防止回流到去离子柱，当阀118指导流通过去离子装置104时用于防止回流到旁路导管116。将了解的是，在旁路导管116与去离子装置104的输出相符的情况之前，止逆阀132可被旁路导管116内和去离子装置104下游的单向阀置换。

图3示出构建以上所述系统的燃料电池系统100的一个示例性实施方案的侧面示意图。相同的参考数字用于类似的部分。燃料电池系统100包括定位在冷却剂储罐110内的臭氧生成器114(在其他实施例内，诸如图1a-图1b和图2中的那些，臭氧生成器114可处于冷却剂储罐110外部)。冷却剂储罐110通过冷却剂导管108内的过滤器128、泵126和(在该实施例中)uv光源124联接到去离子装置104和旁路导管116。uv光源124可为例如一系列uv发光二极管(led)。

uv光源132被配置为在冷却剂到达燃料电池堆102之前照射冷却剂路径108内的冷却剂。uv光可用于消毒冷却剂(水)，因为它引起冷却剂内的细菌和微生物破裂。

图4示出涉及本文所述的燃料电池系统的不同因素随着时间变化的示意图。该图显示：臭氧生成器310的运行状态，接通或切断；旁路导管320的运行状态，根据阀118的位置来打开(有冷却剂流过它)或关闭(无冷却剂流过它)；去离子装置330的运行状态，根据阀118的位置来打开(有冷却剂流过它)或关闭(无冷却剂流过它)；冷却剂340的传导性；以及冷却剂350内的细菌水平作为冷却剂内菌落形成单位(cfu)的对数作图。

最初300未生成臭氧。臭氧生成器切断。阀118处于第一位置并且冷却剂能够流过打开的去离子装置而不能够流过关闭的旁路导管。冷却剂传导性降低，因为冷却剂流过去离子装置，所述去离子装置用于去除冷却剂内的无机污染物离子并因此降低冷却剂的传导性。因为臭氧水平相对低(低到足以使冷却剂流过去离子装置)，所以细菌水平相对高切增加352。

在打开时间302，臭氧生成器打开一段时段t1。在此臭氧生成时段312期间，生成臭氧。控制冷却剂流过去离子装置或旁路导管的阀118切换到第二位置。旁路导管因此打开322并且冷却剂现在能够流过旁路导管。去离子装置相应关闭332，并且不允许冷却剂流过去离子装置。在去离子装置绕开的情况下，冷却剂传导性增加342，这是因为冷却剂内的无机离子水平增加，这可能是由于在冷却剂与接触冷却剂的浸湿面之间发生化学反应。冷却剂内的细菌水平降低354，因为引入冷却剂内的所生成的臭氧杀死的细菌。

在关闭时间304，臭氧生成器切断一段时段t2，其为温度的函数f(t)。臭氧分解速率随着温度增加而增加。因此，在较高温度下，臭氧分解时段较短并且在较低温度下，臭氧分解时段较长。在该臭氧分解时段期间，未生成臭氧但仍存在臭氧并且臭氧在冷却剂内逐渐分解。控制器将阀118维持在第二位置并且因此旁路导管维持打开324。因此，冷却剂仍能够流过旁路导管。去离子装置保持关闭334，并且冷却剂由于冷却剂内残余的臭氧而仍不能够流过关闭的去离子装置。冷却剂传导性继续增加344，因为冷却剂绕过去离子装置，因此在冷却剂内形成无机污染物离子而未能通过去离子装置去除所述离子。细菌水平由于冷却剂内保留臭氧而继续降低354。

在一个预定的臭氧分解时段之后306，保留在冷却剂内的臭氧水平足够低，使得流过去离子装置的冷却剂将不会显著降解离子交换树脂。在此时，控制器启动阀118，以将其移动到第一位置并关闭旁路以进行流动。去离子装置重新打开，以使冷却剂流过并进行离子交换。冷却剂的传导性由于在冷却剂经过去离子装置时发生离子交换过程而降低346。现在将简单描述去离子装置的运行。在阳离子和阴离子经过去离子装置时，它们可根据离子交换原理捕获。去离子装置可包括配置为捕获阳离子的阳离子树脂和被配置为捕获阴离子的阴离子树脂。例如，ca²⁺阳离子可与oh^-分子反应以形成ca(oh)²。相同的理论适用于阴离子和h⁺分子(例如cl^-和h⁺可结合来形成hcl)。为保持去离子装置盒内的化学平衡，每次阳离子树脂捕获阳离子时，树脂将释放h⁺离子到冷却剂中(类似地在阴离子捕获之后阴离子树脂在水中释放oh^-离子)。这些h⁺和oh^-离子可结合在一起形成水分子(h2o)。细菌数目可开始增加356。可重复循环，以使得离子水平和细菌水平得到控制。

在该实施例中，控制器基于冷却剂的温度确定臭氧分解时段。在其他实施例中，控制器可基于其他因素，例如诸如燃料电池内的堆电压、冷却剂水平、细菌水平、冷却剂压力和气体水平来确定臭氧分解时段。在其他实施例中，臭氧生成时间t1和臭氧分解时间t2可为固定的，无论任何其他参数如何。时段t1可由诸如以下因素确定：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；燃料电池系统内的氢水平；或燃料电池系统内的氧水平。

如本文所公开的臭氧生成器、去离子装置、旁路导管和控制器的组合可被视为燃料电池系统的冷却剂组件。这种冷却剂组件或包括冷却剂组件和燃料电池堆的燃料电池系统可用于例如为交通工具提供动力。

尽管本发明描述了臭氧生成器和由旁路导管绕开的去离子装置，由于不兼容而不能同时起作用的其他部件可利用本文所述的旁路导管和控制器。因此，在以上描述中，臭氧生成器可视为第一调节装置并且去离子装置可视为第二调节装置。

应了解以上所述实施方案可以在权利要求书范围内的各种方式组合。例如，燃料电池系统可包括用于从冷却剂内去除细菌碎片的uv光源与燃料电池堆之间的过滤器。其他实施方案意图在所附权利要求书的范围内。