燃料电池系统中的动态气流控制的制作方法

本发明总体上涉及用于控制和均匀地分配通过经空气冷却的燃料电池电堆的空气的体积的装置和方法。

背景技术：

1、常规的电化学燃料电池将燃料和氧化剂转化为电能和反应产物。常见类型的电化学燃料电池包括膜电极组件(mea)，膜电极组件包括在阳极和阴极流动路径或气体扩散结构之间的聚合物离子(质子)转移膜。燃料，比如氢气和氧化剂，比如来自空气的氧气通过mea的相应侧部以产生电能和作为反应产物的水。可以形成包括多个这样的燃料电池的电堆，这种燃料电池布置有分开的阳极和阴极流体流动路径。这种电堆通常呈块的形式，其包括由电堆的任一端部处的端部板保持在一起的多个单独的燃料电池板。这种燃料电池能够被用于为各种技术，比如材料处理装备(mhe)和固定电力应用以及无人机(uav)提供电力。

2、重要的是聚合离子转移膜保持水合以用于有效操作。控制电堆的温度也是重要的。因此，可以将冷却剂供应到电堆以用于冷却和/或水合。可能需要在特定时间或周期性地使用净化气体净化燃料电池的流动路径或气体扩散结构中的冷却剂、污染物或反应副产物。可以包括燃料——例如氢气——的净化气体可流过阳极流动路径以净化燃料电池。

3、在经空气冷却的燃料电池系统中，一种用于调节燃料电池电堆的技术包括"电堆脉冲"或"风扇脉冲"，其中，通向燃料电池电堆的阴极的空气流被周期性地切断或显著地限制，以使阴极缺乏氧气，并且电堆通过负载电阻器以高电流放电，使得能量耗散发生在该气流限制时间段期间。

4、经空气冷却的燃料电池电堆会对阴极空气流非常敏感。通过阴极空气流动路径的少量空气运动仍然足以使电堆产生显著的功率。存在的多余的空气越多，风扇脉冲就越难。因此，在风扇脉冲期间实现高度受限的空气流会是期望的。例如，当阻塞气流的效率低下时，风扇脉冲会失效。

5、经空气冷却的燃料电池系统传统上通过降低风扇速度或部分关闭流动路径来限制阴极空气流，以用于在较冷条件下运行。这些解决方案负面地影响通过电堆的阴极流的分布，导致温度变化，并且因此导致差的电堆性能。当处于部分打开位置时部分关闭导致湍流，导致路径变化。这转而使得对低体积的阴极流进行精细控制成为不可能。针对风扇的最小所需空气流会导致冷却效率低下和电堆性能低下。

技术实现思路

1、本公开的气流控制的各方面涉及系统、结构和方法，这些系统、结构和方法以期望的模式导引气流，以控制燃料电池系统中的气流的路由和输送。

2、上述需求是通过贯穿本技术公开的冷却剂分配系统、燃料电池动力系统和所使用的方法的各个方面而满足的。根据本公开的一些方面，教导了一种向壳体内的燃料电池电堆和冷却风扇提供气流的方法，该方法包括。将燃料电池电堆放置成与风扇流体连通，燃料电池电堆和风扇两者均位于壳体内；通过以下模式中的一个或多个将预定最小体积的气流通过壳体流体连接到风扇；

3、a.通过经由旁通组件将来自燃料电池电堆的气流的一部分转向，限制到达燃料电池电堆的空气进入面的气流，旁通组件位于燃料电池电堆的下游；

4、b.经由旁通组件将来自空气进入面的一部分气流转向，并经由关闭放置在阴极排放与风扇之间的一个或多个格栅来减少来自燃料电池电堆阴极排放的气流；

5、c.经由关闭格栅和关闭通过格栅的至少一部分的孔口，调节从燃料电池电堆阴极的排放面到风扇的气流；

6、d.打开旁通阀并且打开格栅，由此将气流提供给进入面和风扇两者；

7、e.打开旁通阀、关闭格栅、并且进行以下一者：关闭孔口和关闭通过格栅的孔口的至少一部分；以及

8、f.关闭旁通阀，并且进行以下一者：开启或关闭格栅。

9、在一些情况中，每个格栅被配置为经由壳体中的磁性卡持件关闭。在一些情况中，每个格栅由两个板组成，每个板包含孔口，其中，板被配置为嵌套在一起，并且当格栅被关闭时，通过经由凸轮的作用使一个板相对于另一个板滑动，孔口经由控制器被调节成从关闭到完全打开。在一些情况中，两个板中的至少一个板具有面向另一个板的表面涂料，板被配置为与未涂覆的板相比具有更大的润滑性。在一些情况中，孔口是细长水平卵形。在一些情况中，孔口的至少一部分是等腰梯形。在一些情况中，该方法还包括在最靠近空气进入面的壳体内形成的凸形部分，凸形部分将湍流增加到进入到空气进入面的气流中。在一些情况中，该方法还包括在燃料电池电堆的气体进入面邻近处形成气流中断指状件，其中，进入到燃料电池电堆中的进入气体的线性流被变得更加湍流。

10、在一些情况中，风扇被放置在燃料电池电堆的上游。在一些情况中，风扇被放置在燃料电池电堆的下游。在一些情况中，旁通阀被放置在燃料电池电堆的下游。在一些情况中，旁通阀被放置在燃料电池电堆的上游。在一些情况中，风扇被放置在燃料电池电堆的上游，并且流体控制组件被放置在燃料电池电堆的下游。

11、根据本公开的一些方面，用以调节流向壳体内的燃料电池电堆的气流的系统和方法，包括：部分打开的壳体，部分打开的壳体被配置为容纳至少一个流体通道、燃料电池电堆、风扇以及流体控制组件，并且提供气流；流体控制组件包括至少一个旁通阀和至少一个格栅，格栅具有穿过格栅而形成的可调节的孔口；控制器；其中，所述流体通道与流体控制组件流体连接；其中，控制器控制旁通阀、格栅和孔口的关闭或打开中的至少一者；并且，其中，基于操作模式来调节对流向风扇和燃料电池电堆的空气的体积的控制。

12、在一些情况中，旁通马达控制旁通通风口的打开和关闭。在一些情况中，控制器包括控制格栅的移动和孔口的打开或关闭的格栅控制组件。在一些情况中，格栅控制组件控制格栅的移动和孔口的打开或关闭，并且旁通马达控制旁通通风口的打开和关闭。在一些情况中，格栅控制组件还包括驱动轴，驱动轴穿过每个格栅并且连接到凸轮，凸轮固定到所述格栅。在一些情况中，下驱动部段固定到驱动轴；上驱动部段以可移动的方式附接到下驱动部段与驱动轴引导件之间的驱动轴；弹簧以可移动的方式固定到上驱动部段与驱动轴引导件之间的驱动轴；由此，经嵌套的板经由凸轮和弹簧相对于第二经嵌套的板向上或向下移动。

13、在一些情况中，至少一个经嵌套的板的第一表面被抛光以降低粗糙度。在一些情况中，至少一个嵌套板的第一表面被涂覆，以降低粗糙度和增加润滑性中的一种。在一些情况中，格栅控制组件还被配置为调节流向燃料电池电堆的氧气流和来自燃料电池电堆的稀释吹扫流中的至少一者。

14、根据本公开的一些方面，流体控制组件的方法和系统包括流动控制壳体，流动控制壳体还包括风扇管道、磁性卡持件、格栅控制组件、配置有可变孔口的格栅、至少一个旁通管道、至少一个旁通阀、旁通马达，并且旁通管道与流动控制壳体流体连接。

15、在一些情况中，格栅由两个滑动的经嵌套的板形成，每个滑动的经嵌套板的具有在第一位置对准的孔口，并且具有当它们位移时可变的开口和当它们完全位移时被关闭的开口。在一些情况中，格栅控制组件控制格栅的移动和孔口的打开或关闭。在一些情况中，格栅控制组件控制格栅的移动和孔口的打开或关闭，并且旁通马达控制旁通通风口的打开和关闭，旁通通风口配置为打开和关闭通过至少一个旁通管道的流体流。在一些情况中，格栅控制组件还包括驱动轴，驱动轴穿过每个格栅并且连接到凸轮，凸轮固定到所述格栅。

16、在一些方面中，系统可以包括在其中的一个或多个传感器。一个或多个传感器可以被配置为检测系统的参数。在一些方面中，传感器可以配置成检测燃料电池和/或燃料电池电堆的温度、进入系统的冷却剂的温度、冷却剂流体已经被从系统排出后的冷却剂的温度、冷却剂流体的压力、冷却剂流体的流率、冷却剂流体的成分，冷却剂流体在它被从排放端口排出时的速度，或冷却剂流体或燃料电池电堆的另一参数。

17、在一些方面中，用于导引冷却剂流的装置可以根据各种参数操作，比如，但不限于(它们在具体实施方式中存在的程度)、燃料电池电堆的大小或形状、燃料电池电堆与用于导引冷却剂流的装置之间的距离、燃料电池电堆内的燃料电池数量，系统中燃料电池电堆的数量，每个燃料电池电堆的相对布置，用于导引冷却剂流的装置的材料，用于导引冷却剂流的装置的质地，冷却剂流过系统的速度，冷却剂的构成、燃料电池电堆的温度、燃料电池电堆的期望温度、系统的期望应用、上述参数的任意组合和/或任何其他能够影响冷却剂分配需求的合适参数。

18、根据本公开的另一方面，燃料电池系统包括：燃料电池电堆，燃料电池电堆在其中具有一个或多个燃料电池；以及用于分配冷却剂流体的系统。

19、用于分配冷却剂流体的系统可以是上述系统中的任何一个或多个，或者可以是本文描述的实施例的组合。系统可以不包括、包括一个或多个本文描述的可选方面。

20、在一些方面中，燃料电池系统可以被配置为向机器处理装备(mhe)部件提供电力。可选地，mhe部件可以是叉车。

21、在一些方面中，燃料电池系统可以被配置为向无人驾驶飞行器(uav)提供电力。可选地，uav可以是无人机。无人机可以是固定翼无人机。无人机可以是多旋翼无人机。

22、根据公开的另一方面，公开了一种用于导引冷却剂通过用于分配冷却剂流体的系统的控制系统。控制系统包括处理器；电源；以及传感器。控制系统被配置为向用于分配冷却剂流体的系统发送操作信号，以使用于分配冷却剂流体的系统进行操作。用于分配冷却剂流的系统可以是上述系统中的任何一个或多个，或者可以是本文描述的实施例的组合。系统可以不包括、包括一个或多个本文描述的可选方面。

23、控制系统可以包括处理器；电源；以及传感器。控制系统被配置为向用于分配冷却剂的系统发送操作信号，以使用于分配冷却剂的系统进行操作。

24、在一些方面中，控制系统可以被配置为与多个传感器通信。传感器可以被设置在用于分配冷却剂的系统中或系统上。

25、可选地，控制系统可以被配置为基于程序操作。程序可以为控制系统提供用于操作的指令，控制系统可以使用该用于操作的指令来操作系统以用于分配冷却剂和/或燃料电池系统。可选地，控制系统可以由用户操作。用户可以将一个或多个信号发送到控制系统和/或用于分配冷却剂的系统以操作系统。可选地，控制系统可以被配置为响应于由一个或多个传感器感测的参数而自主地操作。