[發明專利]用于冷卻燃料電池動力交通工具的系統和方法

有效

• 申請號: 201410043833.6
• 申請日: 2014-01-30
• 公開（公告）號: CN103972524A
• 公開（公告）日: 2014-08-06
• 發明（設計）人: M.A.朗;S.R.法爾塔
• 申請（專利權）人: 通用汽車環球科技運作有限責任公司
• 主分類號: H01M8/02
• 分類號: H01M8/02;H01M8/04
• 代理公司: 中國專利代理(香港)有限公司 72001
• 代理人: 李濤;胡斌

技術領域

本發明總體上涉及用于由氫供給燃料的交通工具的設備。更特別地，本發明涉及這樣一種由氫供給燃料的交通工具，其在冷卻劑泵失效的情況下，采用雙極板組件內的冷卻劑的體積的膨脹和收縮，來泵送冷卻劑貫穿冷卻系統。

背景技術

電化學轉化電池，其一般被稱為燃料電池，是例如通過用空氣中的氧使氫氧化來處理反應物，從而產生電能量。電動力被提供至電動機，用于推進交通工具。由這種系統產生的僅有副產物是純水和余熱(off-heat)。余熱一般通過液體冷卻劑環和典型的汽車散熱器被廢棄到環境。氫是非常有吸引力的燃料，因為它是清潔的，并且它可被使用來在燃料電池中有效地產生電力。汽車工業已花費了顯著的資源來開發氫燃料電池作為用于交通工具的動力源。由氫燃料電池提供動力的交通工具將是更有效的，并且比目前的采用內燃發動機的交通工具產生更少的排放。

在典型的燃料電池系統中，氫或富氫氣體被供應作為反應物穿過流動路徑至燃料電池的陽極側，而氧(比如呈大氣氧的形式)被供應作為反應物穿過分離的流動路徑至燃料電池的陰極側。通常呈比如鉑等貴金屬形式的催化劑被放置在陽極和陰極處，用以促進反應物向電子以及帶正電離子(對于氫)和帶負電離子(對于氧)的電化學轉化。在一個眾所周知的燃料電池形式中，陽極和陰極可以由一層導電性氣態擴散介質(GDM)材料制成，在其上沉積有催化劑用以形成催化劑涂覆擴散介質(CCDM)。電解質層使陽極與陰極分離，用以允許離子的選擇性通過，來從陽極傳至陰極，而同時阻止所生成的電子的通過，其相反被迫使流動穿過外部導電性電路(比如負載)，用以在陰極處與帶電離子重新結合之前執行有用的工作。帶正電和帶負電的離子在陰極處的結合導致作為反應的副產品的無污染水的生成。在另一眾所周知的燃料電池形式中，陽極和陰極可以直接地形成在電解質層上，用以形成被稱作膜片電極組件(MEA)的分層結構。

一個類型的燃料電池，其被稱為質子交換膜片(PEM)燃料電池，已對于交通工具和相關的移動應用顯示了特別是前景。PEM燃料電池的電解質層呈固體質子透過性膜片(比如全氟磺酸膜片，其一個商用示例為Nafion?)的形式。不管是采用了以上的基于MEA的途徑還是基于CCDM的途徑，通過電解質層與陰極分離的陽極的存在形成單個PEM燃料電池；許多這種單個電池可被組合以形成燃料電池堆，從而增加其動力輸出。多個電池堆可被聯接在一起，用以進一步增加動力輸出。

在燃料電池堆中，多個燃料電池以電串聯方式堆疊在一起，同時被氣體不可透過的導電性雙極板分離。在一些情況下，雙極板是通過緊固一對薄金屬片而形成的組件，所述一對薄金屬片在它們的外面表面上形成有反應物流動路徑。通常，在雙極板組件的金屬板之間提供有內部冷卻劑流動路徑。在PEM燃料電池中使用的類型的雙極板組件的各種示例在共同擁有的美國專利No. 5,776,624中有示出和描述，其內容通過引用并入本文。

通常，與燃料電池堆相關聯的冷卻系統包括循環泵，所述循環泵用于使液體冷卻劑循環穿過燃料電池堆，至費熱能量(即，熱)被傳遞至環境之處的熱交換器。典型液體冷卻劑的熱性質要求：相對較大的體積被循環穿過系統，用以去除足夠的廢棄能量，以便將電池堆的溫度維持在可接受的范圍內，特別是在最大功率條件的狀態下。然而，冷卻劑泵的失效提出了顯著的操作挑戰。當前，當冷卻劑泵失效被檢測到時，燃料電池系統一般在降低的功率條件下操作，用以限制熱的產生，直到最大溫度閾值被超過。一旦系統溫度已達到最大許容水平后，系統被關閉。系統關閉可能使交通工具操作者處于困境，導致走路回家的情況。

對于燃料電池動力交通工具的一個實際挑戰是在冷卻劑泵失效的情況下維持交通工具動力。對于燃料電池系統存在這樣一種需求，其允許燃料電池動力交通工具在冷卻劑泵失效的情況下繼續操作。

發明內容

鑒于系統和技術的以上問題和其它問題，本公開的一個目的是提供一種燃料電池動力交通工具，其利用雙極板組件內的冷卻劑體積的膨脹和收縮來泵送冷卻劑貫穿燃料電池動力交通工具的冷卻系統，特別是在冷卻劑泵失效的情況下。