[发明专利]用于冷却燃料电池动力交通工具的系统和方法

说明书

技术领域

本发明总体上涉及用于由氢供给燃料的交通工具的设备。更特别地，本发明涉及这样一种由氢供给燃料的交通工具，其在冷却剂泵失效的情况下，采用双极板组件内的冷却剂的体积的膨胀和收缩，来泵送冷却剂贯穿冷却系统。

背景技术

电化学转化电池，其一般被称为燃料电池，是例如通过用空气中的氧使氢氧化来处理反应物，从而产生电能量。电动力被提供至电动机，用于推进交通工具。由这种系统产生的仅有副产物是纯水和余热(off-heat)。余热一般通过液体冷却剂环和典型的汽车散热器被废弃到环境。氢是非常有吸引力的燃料，因为它是清洁的，并且它可被使用来在燃料电池中有效地产生电力。汽车工业已花费了显著的资源来开发氢燃料电池作为用于交通工具的动力源。由氢燃料电池提供动力的交通工具将是更有效的，并且比目前的采用内燃发动机的交通工具产生更少的排放。

在典型的燃料电池系统中，氢或富氢气体被供应作为反应物穿过流动路径至燃料电池的阳极侧，而氧(比如呈大气氧的形式)被供应作为反应物穿过分离的流动路径至燃料电池的阴极侧。通常呈比如铂等贵金属形式的催化剂被放置在阳极和阴极处，用以促进反应物向电子以及带正电离子(对于氢)和带负电离子(对于氧)的电化学转化。在一个众所周知的燃料电池形式中，阳极和阴极可以由一层导电性气态扩散介质(GDM)材料制成，在其上沉积有催化剂用以形成催化剂涂覆扩散介质(CCDM)。电解质层使阳极与阴极分离，用以允许离子的选择性通过，来从阳极传至阴极，而同时阻止所生成的电子的通过，其相反被迫使流动穿过外部导电性电路(比如负载)，用以在阴极处与带电离子重新结合之前执行有用的工作。带正电和带负电的离子在阴极处的结合导致作为反应的副产品的无污染水的生成。在另一众所周知的燃料电池形式中，阳极和阴极可以直接地形成在电解质层上，用以形成被称作膜片电极组件(MEA)的分层结构。

一个类型的燃料电池，其被称为质子交换膜片(PEM)燃料电池，已对于交通工具和相关的移动应用显示了特别是前景。PEM燃料电池的电解质层呈固体质子透过性膜片(比如全氟磺酸膜片，其一个商用示例为Nafion?)的形式。不管是采用了以上的基于MEA的途径还是基于CCDM的途径，通过电解质层与阴极分离的阳极的存在形成单个PEM燃料电池；许多这种单个电池可被组合以形成燃料电池堆，从而增加其动力输出。多个电池堆可被联接在一起，用以进一步增加动力输出。

在燃料电池堆中，多个燃料电池以电串联方式堆叠在一起，同时被气体不可透过的导电性双极板分离。在一些情况下，双极板是通过紧固一对薄金属片而形成的组件，所述一对薄金属片在它们的外面表面上形成有反应物流动路径。通常，在双极板组件的金属板之间提供有内部冷却剂流动路径。在PEM燃料电池中使用的类型的双极板组件的各种示例在共同拥有的美国专利No. 5,776,624中有示出和描述，其内容通过引用并入本文。

通常，与燃料电池堆相关联的冷却系统包括循环泵，所述循环泵用于使液体冷却剂循环穿过燃料电池堆，至费热能量(即，热)被传递至环境之处的热交换器。典型液体冷却剂的热性质要求：相对较大的体积被循环穿过系统，用以去除足够的废弃能量，以便将电池堆的温度维持在可接受的范围内，特别是在最大功率条件的状态下。然而，冷却剂泵的失效提出了显著的操作挑战。当前，当冷却剂泵失效被检测到时，燃料电池系统一般在降低的功率条件下操作，用以限制热的产生，直到最大温度阈值被超过。一旦系统温度已达到最大许容水平后，系统被关闭。系统关闭可能使交通工具操作者处于困境，导致走路回家的情况。

对于燃料电池动力交通工具的一个实际挑战是在冷却剂泵失效的情况下维持交通工具动力。对于燃料电池系统存在这样一种需求，其允许燃料电池动力交通工具在冷却剂泵失效的情况下继续操作。

发明内容

鉴于系统和技术的以上问题和其它问题，本公开的一个目的是提供一种燃料电池动力交通工具，其利用双极板组件内的冷却剂体积的膨胀和收缩来泵送冷却剂贯穿燃料电池动力交通工具的冷却系统，特别是在冷却剂泵失效的情况下。