CN104756294A - 供给燃料电池堆的冷却剂流体 - Google Patents

Abstract

一种燃料电池堆组件具有多个电池，每一个电池具有流体冷却剂管道。冷却剂进料歧管具有第一入口和第二入口，并且连接至每一个流体冷却剂管道以便在每一个电池内分配流体冷却剂。泵被连接以便将流体冷却剂通过所述第一入口和第二入口传送至所述冷却剂进料歧管。流量控制组件被配置来定期变更通过所述第一入口和第二入口的流体冷却剂的相对流速，以便避免所述冷却剂进料歧管中的停滞区域。所述流量控制组件还可以适于定期中断所述泵和所述歧管之间的流动路径，以使得流体冷却剂被间歇式地传送至所述歧管，从而实现低于所述泵的最小设定点的低水流量。

Description

供给燃料电池堆的冷却剂流体

技术领域

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。

背景技术

常规电化学燃料电池将通常均为气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普通类型电化学燃料电池包括位于膜电极组件(MEA)内的聚合物离子转移膜，也叫质子交换膜(PEM)，其中使燃料和空气经过所述膜的相应侧。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的阳极和阴极的电路的电子加以平衡。为了增大可用电压，形成包括若干电串联布置的MEA的堆。每一个MEA具备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，这些燃料电池板由位于所述堆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能，所以一旦已达到操作温度就需要冷却燃料电池堆，以避免对燃料电池的破坏。冷却可以至少部分通过在阳极流体流动路径中(其用于使阳极水合)将水传送至所述堆的独立电池和/或在阴极流体流动路径中将水传送至所述堆的独立电池(其与反应物水化合)来实现。在每一种情况下，可发生燃料电池的蒸发冷却。

在典型的布置中，将冷却水从沿着燃料电池堆的侧面延伸的一个或多个普通歧管注入到阳极流体流动通道或阴极流体流动通道中。由于这类歧管内的水流速，引起了潜在的问题。可将水送入到歧管的一个末端处的入口中，水从这个入口被送入到所述堆的独立电池中。这就导致沿着歧管远离入口处的水流速的减少。如果，例如100电池堆需要在所述堆的一个末端处传送100ml/min的流量，在第一个电池处，歧管中的流速将为100ml/min，在第50个电池之后，歧管中的流速可能大概为50ml/min，并且在最后的电池处，歧管中的流速可为仅仅1ml/min。歧管中如此低的流量，例如1ml/min，可能导致燃料电池堆的可靠性问题。在停滞或接近停滞的流动区域内，由于增加的腐蚀风险(尤其是当使用去离子水时)以及增加的细菌积累风险，可能发生问题。

将水传送至燃料电池堆(尤其是用于如上所述的蒸发冷却)的另一个潜在问题是，所需的总体水流速随燃料电池上的电流需求而变。对于低的堆电流，水流量要求可以非常低。提供水流的水泵即使是在低流量情况下也应当能够可靠地传送适当的流速。一些水泵具有最小下止点(即，最小流速)，这个流速高于低电流情况下的燃料电池堆操作可能所需要的流速。在低电流和超过必需的较高水流量下运行可以导致燃料电池过早地浸水。于是，当电流需求升高并且电池负载时，堆的性能受到限制。随着燃料电池堆的尺寸增加，可能越来越难以实现由高至低水流速的所需范围，并且许多泵不能够实现所需的大调节比，即所需最大水流速与所需最小水流速的比。

发明内容

本发明的目标是提供对上述问题中的至少一个或多个的解决方案。本发明的目标是减少或消除由水分配歧管中非常低的流量引起的问题。本发明的目标是提供用于在燃料电池堆上的高电流需求和低电流需求两种情况下维持适当的冷却水流量水平的解决方案。

根据一个方面，本发明提供一种燃料电池堆组件，其包括：

多个电池，每一个电池具有流体冷却剂管道；

冷却剂进料歧管，其具有第一入口和第二入口并且还连接至每一个流体冷却剂管道以便在每一个电池内分配流体冷却剂；

泵，其被连接以便将流体冷却剂通过第一入口和第二入口传送至冷却剂进料歧管；以及

流量控制组件，其被配置来定期变更通过第一入口和第二入口的流体冷却剂的相对流速。

流量控制组件可被配置来在第一入口和第二入口之间定期改变歧管内的流体压力平衡点。流量控制组件可至少包括在泵和第一入口之间的第一变流限制器，所述第一变流限制器被配置来调节对泵和第一入口之间的流体冷却剂流的阻抗。流量控制组件可包括第二变流限制器，所述第二变流限制器被配置来调节对泵和第二入口之间的流体冷却剂流的阻抗。流量控制组件可包括设置在泵和歧管之间的多向阀，其被配置来定期在引导流体冷却剂通过第一入口和引导流体冷却剂通过第二入口之间切换。流量控制组件可以适于定期在第一配置和第二配置之间重新配置泵与第一入口和第二入口之间的流动路径，在所述第一配置中，来自泵的流体流主要被引导至第一入口，并且在所述第二配置中，来自泵的流体流主要被引导至第二入口。流量控制组件可包括至少两个变流限制器，其被配置来定期交替通过第一入口和第二入口的主导性冷却剂流体流。流量控制组件可包括：第一流动路径，其在泵和第一入口间、具有对冷却剂流量的第一阻抗；第二流动路径，其在泵和第二入口间、具有对冷却剂流量的第二阻抗，其中第一阻抗不同于第二阻抗；和控制器，其用于改变通过第一流动路径和第二流动路径传送至歧管的总流量，以使得歧管内的水压力平衡点在第一入口和第二入口之间改变。用于改变传送至歧管的水的总体积的控制器可包括以下中的任何一个或多个：用于改变泵速的泵控制器；在第一流动路径和第二流动路径所共有的流动路径部分中的变流限制器；以及控制燃料电池堆的操作参数的堆控制器。第一阻抗和第二阻抗中的至少一个可通过变流限制器来改变。第一入口和第二入口可分别接近所述堆的第一末端和第二末端。燃料电池堆组件可包括在泵与第一入口和第二入口中的至少一个之间的可切换排出管，其被配置来定期将泵所提供的冷却剂流体的至少一部分转移到排出管。可切换排出管可包括设置在泵与第一入口和第二入口之间的多向阀，所述多向阀被配置来在以下情况之间切换：a)将第一入口连接至泵；b)将第二入口连接至泵；以及c)将排出管线连接至泵。可切换排出管可包括设置在泵与第一入口和第二入口中的至少一个之间的流动路径中的多向阀。排出管可连接至再循环系统，以便使冷却剂流体的至少一部分返回到泵。泵可包括第一泵和第二泵，所述第一泵被连接以便将流体冷却剂通过第一入口传送至冷却剂进料歧管，并且所述第二泵被连接以便将流体冷却剂通过第二入口传送至冷却剂进料歧管，并且其中流量控制组件包括被配置来以有差别的速度来操作第一泵和第二泵的控制器。

根据另一个方面，本发明提供一种燃料电池堆组件，其包括：

多个电池，每一个电池具有流体冷却剂管道；

冷却剂进料歧管，其至少具有第一入口并且还连接至每一个流体冷却剂管道以便在每一个电池内分配流体冷却剂；

泵，其连接至第一入口以便将流体冷却剂通过流动路径传送至冷却剂进料歧管；以及

泵和歧管之间的流量控制组件，其适于定期中断泵和歧管之间的流动路径，以使得流体冷却剂间歇式地传送至歧管。

流量控制组件可包括被配置来在至少第一入口和排出管之间切换泵的输出的多向阀。冷却剂进料歧管可包括第二入口，所述第二入口连接至泵以便将流体冷却剂通过第二入口传送至冷却剂进料歧管；并且流量控制组件可包括多向阀，所述多向阀被配置来将泵的输出切换至以下中的任何一个：i)第一入口；ii)第二入口；以及iii)排出管。排出管可连接至再循环系统，以便使冷却流体返回到泵的入口。冷却剂进料歧管可包括第二入口，所述第二入口也连接至泵以便将流体冷却剂传送至冷却剂进料歧管，并且流量控制组件可被配置来定期变更通过第一入口和第二入口的相对流速。流量控制组件可包括被配置来在至少第一入口和封闭端之间切换泵的输出的多向阀。冷却剂进料歧管可以还包括第二入口，所述第二入口连接至泵以便将流体冷却剂通过第二入口传送至冷却剂进料歧管；并且流量控制组件可包括多向阀，所述多向阀被配置来在以下之间切换泵的输出：i)第一入口；ii)第二入口；以及iii)封闭端。燃料电池堆组件可包括用于在第一操作模式和第二操作模式之间切换所述组件的控制器，在第一操作模式中流体冷却剂被连续地传送至歧管，并且在第二操作模式中流体冷却剂被间歇式地传送至歧管。

根据另一个方面，本发明提供一种燃料电池堆组件，其包括：

多个电池，每一个电池具有流体冷却剂管道；

冷却剂进料歧管，其至少具有第一入口并且还连接至每一个流体冷却剂管道以便在每一个电池内分配流体冷却剂；

泵，其连接至第一入口以便将流体冷却剂通过流动路径传送至冷却剂进料歧管；以及

泵和歧管之间的流量控制组件，其被配置来定期重新配置流动路径以将流体冷却剂的至少一部分转移到排出管。

排出管可连接至再循环系统，以便使冷却流体返回到泵的入口。冷却剂进料歧管可包括第二入口，所述第二入口也连接至泵以便将流体冷却剂传送至冷却剂进料歧管的第二入口，并且流量控制组件可被配置来定期变更通过第一入口和第二入口的相对流速。

根据另一个方面，本发明提供一种操作燃料电池堆组件的方法，其包括以下步骤：

将流体冷却剂经由冷却剂进料歧管供应至燃料电池堆组件中的多个电池中的每一个中的流体冷却剂管道，所述冷却剂进料歧管具有第一入口和第二入口并且连接至每一个流体冷却剂管道以便在每一个电池内分配流体冷却剂；

将流体冷却剂通过第一入口和第二入口泵送至冷却剂进料歧管中；以及

使用流量控制组件来定期变更通过第一入口和第二入口的流体冷却剂的相对流速。

根据另一个方面，本发明提供一种操作燃料电池堆组件的方法，其包括以下步骤：

将流体冷却剂经由冷却剂进料歧管供应至燃料电池堆组件中的多个电池中的每一个中的流体冷却剂管道，所述冷却剂进料歧管至少具有第一入口并且连接至每一个流体冷却剂管道以便在每一个电池内分配流体冷却剂；

借助于流动路径将流体冷却剂泵送至第一入口中，以便将流体冷却剂传送至冷却剂进料歧管；以及

使用泵和歧管之间的流量控制组件来定期中断所述流动路径，以使得流体冷却剂被间歇式地传送至歧管。

根据另一个方面，本发明提供一种操作燃料电池堆组件的方法，其包括以下步骤：

将流体冷却剂经由冷却剂进料歧管供应至燃料电池堆组件中的多个电池中的每一个中的流体冷却剂管道，所述冷却剂进料歧管至少具有第一入口并且连接至每一个流体冷却剂管道以便在每一个电池内分配流体冷却剂；

借助于流动路径将流体冷却剂泵送至第一入口中，以便将流体冷却剂传送至冷却剂进料歧管；以及

使用流量控制组件来定期重新配置泵和歧管之间的流动路径，以便将流体冷却剂的至少一部分转移到排出管。

上文定义的方法中的每一种可以适于包括由上文定义的装置进行的特定方法。

附图说明

现将借助于实例并且参照附图来描述本发明的实施方案，在附图中：

图1是具有水传送歧管的燃料电池堆的示意性侧视图。

图2是图1的燃料电池堆的示意图，所述燃料电池堆被连接用于至歧管的双向水传送；

图3是图1的燃料电池堆的示意图，所述燃料电池堆被连接用于至歧管的可变平衡水传送；

图4是图1的燃料电池堆的示意图，所述燃料电池堆被连接用于至歧管的可变平衡水传送；

图5是图1的燃料电池堆的示意图，所述燃料电池堆被连接用于至歧管的双向间歇式水传送；

图6是图1的燃料电池堆的示意图，所述燃料电池堆被连接用于至歧管的双向间歇式水传送；

图7是图1的燃料电池堆的示意图，所述燃料电池堆被连接用于至歧管的双向间歇式水传送；以及

图8是图1的燃料电池堆的示意图，所述燃料电池堆被连接用于至歧管的双向间歇式再循环水传送。

具体实施方式

图1展示适合与本发明一起使用的燃料电池堆10的示意性侧视图。堆10包括多个燃料电池11，其中每一个具有用于将燃料传送至膜电极组件的阳极表面的阳极流体流动路径和用于将氧化剂传送至膜电极组件的阴极表面的阴极流体流动路径。在堆布置中借助于端板12、13以已知方式保持燃料电池。借助于歧管或通道14给阳极流体流动路径或阴极流体流动路径提供水注入，以用于燃料电池堆的蒸发冷却，歧管或通道14在位于歧管14的相反两端处的第一入口15和第二入口16之间沿着堆的长度延伸。如图1中的箭头所指示，水从入口15、16中的每一个流入歧管中，然后流入单独的燃料电池11的流体流动路径中的每一个中。优选的是，水在介于水歧管14与独立的燃料电池11中的流动通道之间的某一点处与燃料或氧化剂流相结合，这些流动通道延伸横跨燃料电池的活性表面。可使用单独的燃料歧管和单独的氧化剂歧管来使用已知技术将燃料和氧化剂引入独立的电池中。优选的是，未使用的燃料或氧化剂和任何过量的水可从燃料电池流到排放歧管17中，并且从排放歧管流到一个或多个排放口18、19。如果在燃料电池的活性表面处已用尽所有的燃料，尤其是如果在燃料电池的阳极侧上没有提供水注入，那么阳极流体流动路径不一定需要排出歧管，但可以提供阳极排出管线以用于定期清除。

图2展示燃料电池堆组件的第一布置，其中借助于第一流动路径21和第二流动路径22和多向阀23将冷却水泵20连接至燃料电池堆10。第一流动路径21连接至第一入口15以便在第一末端处将冷却水传送到歧管14中，并且第二流动路径22连接至第二入口16以便在另一末端处将冷却水传送到歧管14中。多向阀23可操作来选择流动路径21、22中的一个或另一个以用于将水传送到歧管14中。控制器24可操作来定期切换多向阀23，以便冷却水从交替的末端进入歧管14。可根据任何合适的算法来进行控制器24对多向阀23的切换，例如以定时为基础和/或根据燃料电池堆10所需的冷却流速来进行。例如，当需要高冷却剂流量时，切换可以不那么频繁，而当需要非常低的流量时，切换可以更加频繁。

以这种方式，图2的组件大体上提供被配置来定期变更通过第一入口15和第二入口16的相对流速的流量控制组件21、22、23、24。在第一配置中，当多向阀23通过第一流动路径21转移冷却剂水时，通过第一入口15的流速为总流量的100％，而通过第二入口16的流速为总流量的0％。当多向阀23通过第二流动路径22转移冷却剂水时，通过第一入口15的流速为总流量的0％，而通过第二入口16的流速为总流量的100％。以这种方式，定期颠倒歧管的低冷却剂流量末端。更一般来说，图2的组件提供设置在泵20和歧管14之间的阀组件23，所述阀组件被配置来定期在引导流体冷却剂通过第一入口和引导流体冷却剂通过第二入口之间切换。使用第一流动路径21和第二流动路径22中的每一个中的一起(以相反的方式)操作的截止阀，可以实现类似的结果。使用定位在第一流动路径21和第二流动路径22中的每一个中的一起(以相反的方式)操作的变流限制器，可以实现类似的结果。优选的是，可使用单个阀布置而不是多个限流器或多个截止阀，以减少控制的复杂性并且减少燃料电池堆系统中的附加损失。

图3展示燃料电池堆组件的另一个布置，其中借助于第一流动路径31和第二流动路径32和变流限制器33将冷却水泵30连接至燃料电池堆10。第一流动路径31连接至第一入口15以便在第一末端处将冷却水传送到歧管14中，并且第二流动路径32连接至第二入口16以便在另一末端处将冷却水传送到歧管14中。变流限制器33可操作来改变对经由流动路径32流到歧管14中的水流的阻抗。控制器34可操作来定期改变通过限流器33的流速，以便改变在每一个末端处进入歧管14的冷却水的比例。可根据任何合适的算法来进行控制器34对限流器33的控制，例如，如上文结合图2的布置所讨论那样以定时为基础和/或根据燃料电池堆10所需的冷却流速来进行。

以这种方式，图3的组件大体上提供被配置来定期变更通过第一入口15和第二入口16的相对流速的流量控制组件31、32、33、34。在第一配置中，当限流器33提供高流量阻抗时，大部分冷却剂水经由入口15被供应至歧管14并且只有小部分冷却剂水经由入口16被供应至歧管14。在另一个配置中，当限流器33提供低流量阻抗时，大部分冷却剂水经由入口16被供应至歧管14。

如果第一流动路径31和第二流动路径32的流量阻抗相等，那么当限流器33完全打开时，流到第一入口/第二入口的流量比将在100％和50％之间的范围内。然而，如果第一流动路径31布置成具有与流动路径32不同(例如，高得多)的流量阻抗，那么当限流器完全打开时，在限流器33的控制下的更大范围的流量比是可能的。第一流动路径31和第二流动路径32之间的流量阻抗差异可由以下情况提供：垂直于通过第一流动路径和第二流动路径的流动方向的横截面积的差异；流动路径的曲折性的差异；或管道直径、孔口直径和/或管道长度的差异；或将一个或多个过滤器引入到所述流动路径中的一个或多个中。

改变通过第一入口15和第二入口16的相对流速(即，改变流到第一入口/第二入口的流量比)因此产生了歧管内的“平衡点”(或“流体停滞点”)，在图3上指示为位置35的移动。这是歧管中的某个位置，冷却剂水在这个位置大体上由从入口15向右的流动方向变成从入口16向左的流动方向。换句话说，堆10中在平衡点35左侧的燃料电池11大体上由第一入口15供给并且堆10中在平衡点35右侧的燃料电池11大体上由第二入口16供给。因此，通过使用限流器33来定期改变流量阻抗，流量控制组件31、32、33、34被配置来在第一入口和第二入口之间定期改变歧管内的水压力平衡点。在一般方面，流量控制组件能够使水传送偏向第一入口或第二入口。

使用两个变流限制器，流动路径31和32中的每一个中各有一个，可以实现类似的结果。使用两个变流限制器，一个在流动路径32中，另一个在流动路径31和流动路径32两者所共有的流动路径部分中，可以实现类似的结果。在后面的这种配置中，流动路径1加上流动路径2的流量阻抗与单独的流动路径2的流量阻抗的比率的改变将使水压力平衡点35能够改变。选择流动路径31、32中的哪一个来用于变流限制器是任选的。在一般方面，上文所描述的装置可被配置来调节对泵30和入口15、16中的至少一个之间的冷却剂流体流的阻抗。在一般方面，上文所描述的布置可被配置来定期交替通过第一入口15和第二入口16的主导性冷却剂流体流。

图4展示燃料电池堆组件的另一布置，其中借助于第一流动路径41和第二流动路径42将冷却水泵40连接至燃料电池堆10。可在第一流动路径41和第二流动路径42所共有的通向泵40的流动路径段46中提供任选的变流限制器43。第一流动路径41连接至第一入口15以便在第一末端处将冷却水传送至歧管14中，并且第二流动路径42连接至第二入口16以便在另一末端处将冷却水传送至歧管14中。在这个布置中，例如通过使用以下情况来将第一流动路径41和第二流动路径42形成为具有不同的流量阻抗：不同的管道直径、流动路径中不同直径的孔口、垂直于流动方向的不同横截面积、流动路径的曲折性的差异和/或不同的管道长度，或将一个或多个过滤器引入到所述流动路径中的一个或多个中。控制器44可操作来改变通过第一流动路径41和第二流动路径42传送至歧管的水的流速。因为两个流动路径41、42中的流量阻抗是不同的，所以总流速的增加或减小将导致经由第一流动路径和第二流动路径传送的冷却剂流量的比例不同。这又将改变歧管中的平衡点45。因此，当流到堆10的冷却水流量定期改变时，通过第一入口和第二入口的相对流速将改变。可实现冷却水流量的这种定期改变，以作为常规燃料电池堆控制系统根据堆的电负载变化来确保正确的加湿和冷却的一部分。

图4的组件大体上提供被配置来定期变更通过第一入口15和第二入口16的相对流速的流量控制组件41-44。可通过各种机制(包括泵速、共用流动路径46中的变流限制器43)中的一种或多种或通过燃料电池本身的操作参数(如通过堆的气流、操作温度和电流需求)来控制总流速。可通过例如测量这类操作参数、电池性能和/或堆电压或一个或多个独立电池电压来提供反馈，并且控制算法可使用这些测量值来确定所需的流量控制。可基于固定或可变的时间段，或者基于流体流的总体积来实施相对流速的定期变更。例如，在固定体积(例如5000公升)的冷却剂或固定时间(如500小时)的操作之后，可以改变相对流速。

使用图4的配置来提供可变平衡点45的优点在于：平衡点的位置可由第一流动路径41和第二流动路径42的固定的不同几何形状以及泵40所提供的总流速来确定。第一流动路径和第二流动路径的固定的不同几何形状不需要移动部件或可调节阀或限流器。泵所提供的总流速可由普通流量控制设备提供，所述流量控制设备在任何情况下是维持流到堆的适量冷却剂流所需要的。

图5至图8展示燃料电池堆组件的布置，这些布置尤其适于确保能够产生合适水平的冷却剂流，即使在非常低的流量下，例如当燃料电池上的电流需求非常低时，并且尤其是当水流量低于泵可以可靠地操作的阈值时。

图5展示燃料电池堆组件的布置，其中借助于第一流动路径51和第二流动路径52、共用流动路径56和多向阀53将冷却水泵50连接至燃料电池堆10。第一流动路径51连接至第一入口15以便在第一末端处将冷却水传送到歧管14中，并且第二流动路径52连接至第二入口16以便在另一末端处将冷却水传送到歧管14中。多向阀53可操作来选择流动路径51、52中的一个或另一个以用于将水传送到歧管14中。控制器54可操作来定期切换多向阀53，以便冷却水从交替的末端进入歧管14。在这个程度上，这种布置类似于图2的布置。然而在图5的布置中，多向阀53的第三位置将共用流动路径56的输入切换至封闭端57，从而停止流动。可根据任何合适的算法来进行控制器54对多向阀53的切换，例如以定时为基础和/或根据燃料电池堆10所需的冷却流速来进行。

图5的组件大体上提供被配置来定期变更通过第一入口15和第二入口16的相对流速的流量控制组件51-56。在第一配置中，当多向阀53通过第一流动路径51转移冷却剂水时，通过第一入口15的流速可为总流量的100％，而通过第二入口16的流速可为总流量的0％。当多向阀53通过第二流动路径52转移冷却剂水时，通过第一入口15的流速可为总流量的0％，而通过第二入口16的流速可为总流量的100％。以这种方式，定期颠倒歧管的低冷却剂流量末端。在阀53的第三位置处，可将冷却剂水转移到封闭端57中，从而停止流动。

更一般来说，图5的组件提供设置在泵50和歧管14之间的阀组件53，其被配置来定期颠倒通过第一入口15和第二入口16中的至少一个的流动方向，并且提供停止到燃料电池堆的流动的第三选项。使用第一流动路径51和第二流动路径52中的每一个中的一起(以相反的方式)操作的截止阀，可以实现颠倒流动的类似结果。使用定位在第一流动路径51和第二流动路径52中的每一个中的一起(以相反的方式)操作的变流限制器，可以实现类似的结果。连同封闭端57一起操作的多向阀53允许控制器54定期阻挡流到燃料电池堆的流量。这种布置使泵50能够在保证固定的或计量的水流速的已知可靠设定点下操作，即使这个流速实际上对于燃料电池堆10的当时状况来说过高。在这种情况下，当堆在低负载下操作时，有效地使流到堆10的水流发生脉动以在时间平均基础上实现所需的流速。当堆所需的流速足够高时，可以如前文所讨论那样经由流动路径51或52或者以交替的方式经由这两个流动路径连续地传送水流。控制器54用来确定多向阀53在三个可能的输出位置中的每一个中操作的时段。

因此，在一般意义上，图5的布置举例说明泵50和歧管14之间的流量控制组件51-57，其适于定期中断泵和歧管之间的流动路径，以使得流体冷却剂被间歇式地传送至歧管。这使得能够维持以低于由泵设定点指定的恒定流速的时间平均流速流到歧管的脉动水流，并且这在泵的最小设定点提供的水流速高于燃料电池堆10中的当时状况所需的水流速时尤其有效。

使用仅具有两个输出端的多向阀，可在仅具有通向水歧管14的单个入口15的堆布置中实现以低于由泵设定点指定的恒定流速的时间平均流速来传送脉动水流。例如，使用具有一个输入端和两个输出端的多向阀来代替图5中所示的具有一个输入端和三个输出端的多向阀53并且省略流动路径52，从而提供这种布置。

一些水泵在暴露于压力峰值时可能不能最佳地运行，所述压力峰值是由于为了实现所需时间平均流量目标而将多向阀(例如阀53)切换至非流动位置(例如封闭端57)所导致的。在这种情况下，有可能改为将来自泵的水中的至少一些转移到排出管道。图6展示类似于图5的布置的布置，其中封闭端57由这种排出管67所代替。

图6中，借助于第一流动路径61和第二流动路径62、共用流动路径66和多向阀63将冷却水泵60连接至燃料电池堆10。第一流动路径61连接至第一入口15以便在第一末端处将冷却水传送到歧管14中，并且第二流动路径62连接至第二入口16以便在另一末端处将冷却水传送到歧管14中。多向阀63可操作来选择流动路径61、62中的一个或另一个以用于将水传送到歧管14中。控制器64可操作来定期切换多向阀63，以便冷却水从交替的末端进入歧管14。多向阀63的第三位置将共用流动路径66的输入切换至排出管67，从而停止流到堆的流动但是维持从泵60到排出管或储液器的流动。以这种方式，避免泵的压力峰值，并且泵可以始终维持其设定点流量。可根据任何合适的算法来进行控制器64对多向阀63的切换，例如以定时为基础和/或根据燃料电池堆10所需的冷却流速来进行。在其它方面，图6的布置类似于图5的布置，并且结合图5所描述的类似变体是有可能的。

连同排出管67一起操作的多向阀63允许控制器64定期阻挡流到燃料电池堆的流量。这种布置还使泵60能够在保证固定的或计量的水流速的已知可靠设定点下操作，即使这个流速实际上对于燃料电池堆10的当时状况来说过高。在这种情况下，当堆在低负载下操作时，有效地使流到堆10的水流发生脉动以在时间平均基础上实现所需的流速。当堆所需的流速足够高时，可以如前文所讨论那样经由流动路径61或12或者以交替的方式经由这两个流动路径连续地传送水流。控制器64用来确定多向阀在三个可能的输出位置中的每一个中操作的时段。

因此，在一般意义上，图6的布置举例说明泵60和歧管14之间的流量控制组件61-67，其适于定期中断泵和歧管之间的流动路径，以使得流体冷却剂被间歇式地传送至歧管。这使得能够维持以低于由泵设定点指定的恒定流速的时间平均流速流到歧管的脉动水流，并且这在泵的最小设定点提供的水流速高于燃料电池堆10中的当时状况所需的水流速时尤其有效。

使用仅具有两个输出端的多向阀，可在仅具有通向水歧管14的单个入口15的堆布置中实现以低于由泵设定点指定的恒定流速的时间平均流速来传送脉动水流。例如，使用具有一个输入端和两个输出端的多向阀来代替图6中所示的具有一个输入端和三个输出端的多向阀63并且省略流动路径62，从而提供这种布置。

排出管67可形成再循环回路的一部分，在这个再循环回路中将未使用的水中的一些或全部直接引导回到泵入口或经由合适的储液器引导回到泵的入口。或者，排出管67可从系统通向排放出口。

如果需要脉动流，那么可组合这种排出管布置与结合图2至图4所描述的实施方案中的任何一个。

为了清除通过系统的液体水，流动通道21、22、31、32、41、42、51、52、61、62中的任何一个还可以具备可切换的清除出口。图7展示基于图3的布置的实施例。在这种布置中，借助于第一流动路径71和第二流动路径72和变流限制器73将冷却水泵70连接至燃料电池堆10。第一流动路径71连接至第一入口15以便在第一末端处将冷却水传送到歧管14中，并且第二流动路径72连接至第二入口16以便在另一末端处将冷却水传送到歧管14中。变流限制器73可操作来改变对经由流动路径72流到歧管14的水流的阻抗。控制器74可操作来定期改变通过限流器73的流速，以便改变在每一个末端处进入歧管14的冷却水的比例。对限流器73的控制以与结合图3所描述的方式相对应的方式来操作。多向阀75提供在第一流动路径71中且连接至排出管77。通过将变流限制器73完全打开或打开至高流量，并且切换多向阀75以使得第一流动路径71连接至排出管77，可将水通过歧管14清除掉。

图8展示燃料电池堆组件的另一布置，这种布置类似于结合图5和图6所描述的布置并且还包括水再循环系统。借助于第一流动路径81和第二流动路径82、共用流动路径86和多向阀83将冷却水泵80连接至燃料电池堆10。第一流动路径81连接至第一入口15以便在第一末端处将冷却水传送到歧管14中，并且第二流动路径82连接至第二入口16以便在另一末端处将冷却水传送到歧管14中。多向阀83可操作来选择流动路径81、82中的一个或另一个以用于将水传送到歧管14中。控制器84可操作来定期切换多向阀83，以便冷却水从交替的末端进入歧管14。在这个程度上，这种布置类似于图2的布置。多向阀83的第三位置将共用流动路径86的输入切换至堆旁路管道87，从而转移来自堆10的水流。可根据任何合适的算法来进行控制器84对多向阀83的切换，例如以定时为基础和/或根据燃料电池堆10所需的冷却流速来进行。堆旁路管道87与连接至阴极排放出口89的再循环回路88相连。再循环回路88包括用于回收水的一对水分离器90、91和热交换器92。回收水从水分离器90、91被引导至储水罐93中。储水罐93经由过滤器94连接至泵80的入口。气态阴极排放物经由排放管线95排出。

基于对多向阀83的控制，若干操作模式是可能的。多向阀83具有在图8中标记为a至d的四个口，可根据下表来配置这四个口。

典型的操作可在各种模式之间切换。例如，在堆的水流量需求低于泵的最小所需设定点的低流量状况下，控制器84可通过模式1→2→3→2→1→2→3→2不确定地排序。在另一个实施例中，针对不需要旁路的较高流量，控制器可通过模式1→3→1→3→1→3不确定地排序。在另一个实施例中，在高流量下，控制器可不确定地保持模式4，或循环通过模式1→3→4→1→3→4。

图8的布置还可以适应于结合图3和图4所讨论的流量限制布置。图8的布置还可以适于使用少一个输出端的多向阀，并且如果仅需要单个流动路径进入水歧管14，那么省略第一流动路径81或第二流动路径82中的一个。

结合图1至图8所描述的布置还可以适应于其它特征。例如，流动路径15、16的数量可增加超过两个，以便在沿着歧管长度的多个位置处将水泵送至歧管14中。额外的流动路径可以使用共用的阀或限流器成组地连接至现有的流动路径，或者每一个额外的流动路径可以具有专用的限流器或阀。第一入口15和第二入口16不需要准确地定位在水歧管的末端处，但优选的是可以避免歧管内的封闭端或低流量段。因此，需要将第一入口15和第二入口16定位成至少接近歧管14的相应末端。可以仅仅定期地或在通过燃料电池堆的所需水流量低于预定阈值时，使用操作模式来控制水平衡点(例如图3中的点35)。给两个流动路径15、16中的每一个提供可变相对流速也可以通过控制来自分别连接至两个流动路径的两个泵的流量来提供，而不是使用单个泵和阀组件来提供。在这种布置中，控制器可被配置来以可变的不同速度操作第一泵和第二泵。

通过歧管14的定期双向水流可具有有利的影响，那就是管道中不太可能发生堵塞。切换或脉动水流的干扰也可能趋向于增强这种有利的影响。平衡点35(或“停滞点”)的频繁移动也可能趋向于增强这种有利的影响。可将过滤器引入到通向歧管入口的流动路径中的所选流动路径中。

可选择水流切换或脉动的任何合适的周期性来提供如下优点：减少由于停滞区域、腐蚀风险和细菌积累所引起的问题。例如，合适的周期性可在几秒至几百小时的范围内。

其它实施方案意欲在所附权利要求的范围内。

Claims (30)

1.一种燃料电池堆组件，其包括：

多个电池，每一个电池具有流体冷却剂管道；

冷却剂进料歧管，其具有第一入口和第二入口并且还连接至每一个流体冷却剂管道以便在每一个电池内分配流体冷却剂；

泵，其被连接以便将流体冷却剂通过所述第一入口和第二入口传送至所述冷却剂进料歧管；以及

流量控制组件，其被配置来定期变更通过所述第一入口和第二入口的流体冷却剂的相对流速。

2.如权利要求1所述的燃料电池堆组件，其中所述流量控制组件被配置来在所述第一入口和所述第二入口之间定期改变所述歧管内的流体压力平衡点。

3.如权利要求1所述的燃料电池堆组件，其中所述流量控制组件包括至少在所述泵和所述第一入口之间的第一变流限制器，所述第一变流限制器被配置来调节对所述泵和所述第一入口之间的流体冷却剂流的阻抗。

4.如权利要求3所述的燃料电池堆组件，其中所述流量控制组件包括第二变流限制器，所述第二变流限制器被配置来调节对所述泵和所述第二入口之间的流体冷却剂流的阻抗。

5.如权利要求1所述的燃料电池堆组件，其中所述流量控制组件包括设置在所述泵和所述歧管之间的多向阀，所述多向阀被配置来定期在引导流体冷却剂通过所述第一入口和引导流体冷却剂通过所述第二入口之间切换。

6.如权利要求1所述的燃料电池堆组件，其中所述流量控制组件适于定期在第一配置和第二配置之间重新配置所述泵与所述第一入口和第二入口之间的流动路径，在所述第一配置中，来自所述泵的流体流主要被引导至所述第一入口，并且在所述第二配置中，来自所述泵的流体流主要被引导至所述第二入口。

7.如权利要求6所述的燃料电池堆组件，其中所述流量控制组件包括至少两个变流限制器，其被配置来定期交替通过所述第一入口和第二入口的主导性冷却剂流体流。

8.如权利要求1所述的燃料电池堆组件，其中所述流量控制组件包括：

第一流动路径，其在所述泵和所述第一入口之间、具有对冷却剂流的第一阻抗；

第二流动路径，其在所述泵和所述第二入口之间、具有对冷却剂流的第二阻抗，其中所述第一阻抗不同于所述第二阻抗；以及

控制器，其用于改变通过所述第一流动路径和第二流动路径传送至所述歧管的总流量，以使得所述歧管内的水压力平衡点在所述第一入口和所述第二入口之间改变。

9.如权利要求8所述的燃料电池堆组件，其中用于改变传送至所述歧管的水的总体积的所述控制器包括以下中的任何一个或多个：

用于改变泵速的泵控制器；

在所述第一流动路径和所述第二流动路径所共有的流动路径的一部分中的变流限制器；以及

控制所述燃料电池堆的操作参数的堆控制器。

10.如权利要求8所述的燃料电池堆组件，其中所述第一阻抗和第二阻抗中的至少一个可通过变流限制器来改变。

11.如前述权利要求中任一项所述的燃料电池堆组件，其中所述第一入口和第二入口分别接近所述燃料电池堆的第一末端和第二末端。

12.如权利要求1至11中任一项所述的燃料电池堆组件，其还包括在所述泵与所述第一入口和第二入口中的至少一个之间的可切换排出管，其被配置来定期将所述泵所提供的冷却剂流体的至少一部分转移到排出管。

13.如权利要求12所述的燃料电池堆组件，其中所述可切换排出管包括设置在所述泵与所述第一入口和第二入口之间的多向阀，所述多向阀被配置来在以下情况之间切换：i)将所述第一入口连接至所述泵；ii)将所述第二入口连接至所述泵；以及iii)将排出管线连接至所述泵。

14.如权利要求12所述的燃料电池堆组件，其中所述可切换排出管包括设置在所述泵与所述第一入口和第二入口中的至少一个之间的流动路径中的多向阀。

15.如权利要求12所述的燃料电池堆组件，其中所述排出管连接至再循环系统，以便使所述冷却剂流体的至少一部分返回到所述泵。

16.如权利要求1所述的燃料电池堆组件，其中所述泵包括第一泵和第二泵，所述第一泵被连接以便将流体冷却剂通过所述第一入口传送至所述冷却剂进料歧管，并且所述第二泵被连接以便将流体冷却剂通过所述第二入口传送至所述冷却剂进料歧管，并且其中所述流量控制组件包括被配置来以有差别的速度来操作所述第一泵和第二泵的控制器。

17.一种燃料电池堆组件，其包括：

多个电池，每一个电池具有流体冷却剂管道；

冷却剂进料歧管，其具有至少第一入口并且还连接至每一个流体冷却剂管道，以便在每一个电池内分配流体冷却剂；

泵，其连接至所述第一入口以便将流体冷却剂通过流动路径传送至所述冷却剂进料歧管；以及

所述泵和所述歧管之间的流量控制组件，其适于定期中断所述泵和所述歧管之间的流动路径，以使得所述流体冷却剂被间歇式地传送至所述歧管。

18.如权利要求17所述的燃料电池堆组件，其中所述流量控制组件包括被配置来在所述至少第一入口和排出管之间切换所述泵的输出的多向阀。

19.如权利要求17所述的燃料电池堆组件，其中所述冷却剂进料歧管还包括第二入口，其连接至所述泵以便将流体冷却剂通过所述第二入口传送至所述冷却剂进料歧管；并且其中所述流量控制组件包括多向阀，其被配置来将所述泵的输出切换至以下中的任何一个：i)所述第一入口；ii)所述第二入口；以及iii)排出管。

20.如权利要求17所述的燃料电池堆组件，其中所述排出管连接至再循环系统，以便使冷却流体返回到所述泵的入口。

21.如权利要求17所述的燃料电池堆组件，其中所述冷却剂进料歧管包括第二入口，所述第二入口也连接至所述泵以便将流体冷却剂传送至所述冷却剂进料歧管，并且其中所述流量控制组件被配置来定期变更通过所述第一入口和第二入口的相对流速。

22.如权利要求17所述的燃料电池堆组件，其中所述流量控制组件包括被配置来在所述至少第一入口和封闭端之间切换所述泵的输出的多向阀。

23.如权利要求17所述的燃料电池堆组件，其中所述冷却剂进料歧管还包括第二入口，其连接至所述泵以便将流体冷却剂通过所述第二入口传送至所述冷却剂进料歧管；并且其中所述流量控制组件包括多向阀，其被配置来在以下之间切换所述泵的输出i)所述第一入口；ii)所述第二入口；以及iii)封闭端。

24.如权利要求17所述的燃料电池堆组件，其还包括用于在第一操作模式和第二操作模式之间切换所述组件的控制器，在所述第一操作模式中流体冷却剂被连续地传送至所述歧管，并且在第二操作模式中流体冷却剂被间歇式地传送至所述歧管。

25.一种燃料电池堆组件，其包括：

多个电池，每一个电池具有流体冷却剂管道；

冷却剂进料歧管，其具有至少第一入口并且还连接至每一个流体冷却剂管道以便在每一个电池内分配流体冷却剂；

泵，其连接至所述第一入口以便将流体冷却剂通过流动路径传送至所述冷却剂进料歧管；以及

所述泵和所述歧管之间的流量控制组件，其被配置来定期重新配置流动路径以将所述流体冷却剂的至少一部分转移到排出管。

26.如权利要求25所述的燃料电池堆组件，其中所述排出管连接至再循环系统，以便使冷却流体返回到所述泵的入口。

27.如权利要求25所述的燃料电池堆组件，其中所述冷却剂进料歧管包括第二入口，所述第二入口也连接至所述泵以便将流体冷却剂传送至所述冷却剂进料歧管，并且其中所述流量控制组件被配置来定期变更通过所述第一入口和第二入口的相对流速。

28.一种操作燃料电池堆组件的方法，其包括以下步骤：

将流体冷却剂经由冷却剂进料歧管供应至所述燃料电池堆组件中的多个电池中的每一个中的流体冷却剂管道中，所述冷却剂进料歧管具有第一入口和第二入口并且连接至每一个流体冷却剂管道以便在每一个电池内分配所述流体冷却剂；

将所述流体冷却剂通过所述第一入口和第二入口泵送至所述冷却剂进料歧管中；以及

使用流量控制组件来定期变更通过所述第一入口和第二入口的所述流体冷却剂的相对流速。

29.一种操作燃料电池堆组件的方法，其包括以下步骤：

将流体冷却剂经由冷却剂进料歧管供应至所述燃料电池堆组件中的多个电池中的每一个中的流体冷却剂管道，所述冷却剂进料歧管具有至少第一入口并且连接至每一个流体冷却剂管道以便在每一个电池内分配所述流体冷却剂；

借助于流动路径，将所述流体冷却剂泵送至所述第一入口中，以便将所述流体冷却剂传送至所述冷却剂进料歧管；以及

使用所述泵和所述歧管之间的流量控制组件来定期中断所述流动路径，以使得所述流体冷却剂被间歇式地传送至所述歧管。

30.一种操作燃料电池堆组件的方法，其包括以下步骤：

将流体冷却剂通过冷却剂进料歧管供应至所述燃料电池堆组件中的多个电池中的每一个中的流体冷却剂管道，所述冷却剂进料歧管具有至少第一入口并且连接至每一个流体冷却剂管道以便在每一个电池内分配所述流体冷却剂；

借助于流动路径，将所述流体冷却剂泵送至所述第一入口中，以便将所述流体冷却剂传送至所述冷却剂进料歧管；以及

使用流量控制组件来定期重新配置所述泵和所述歧管之间的流动路径，以便将所述流体冷却剂的至少一部分转移到排出管。