CN109390611A - 用于控制流体模块的装置和方法 - Google Patents

Abstract

本申请涉及用于控制流体模块的装置和方法。公开一种用于燃料电池系统的冷却模块，所述模块包括：被配置成在其中接收冷却剂的箱；冷却剂；与所述箱中的所述冷却剂和所述燃料电池系统流体连通的泵，所述泵被配置成将所述冷却剂传输到所述燃料电池系统；所述箱中的所述冷却剂内的加热元件，所述加热元件被配置成加热所述冷却剂；以及与控制器信号通信并与所述箱流体连通的至少一个传感器。所述传感器被配置成检测对应于存在或不存在足够的液体冷却剂的变化以启动所述泵，并且所述控制器处理传感器数据并被配置成致动所述泵。

Description

用于控制流体模块的装置和方法

技术领域

本公开大体涉及具有流体冷却剂储箱的燃料电池系统。具体地，本公开涉及控制可冻结冷却剂的方法和装置。

背景技术

常规的电化学燃料电池将燃料和氧化剂转换成电能和反应产物。普通类型的电化学燃料电池包括膜电极组件(MEA)，其包括阳极与阴极之间的聚合物离子(质子)转移膜以及气体扩散结构。燃料(例如氢气)和氧化剂(例如来自空气的氧气)通过MEA的相应侧传递以产生电能和作为反应产物的水。可以形成一个堆(stack)，其包括被布置有单独的阳极流体流动路径和阴极流体流动路径的多个此类燃料电池。这种堆通常呈包括许多个体燃料电池板的块的形式，所述燃料电池板通过处于堆的任一端处的端板保持在一起。

发明内容

本发明公开了用于控制燃料电池系统的方法和装置。根据一个方面，一种用于燃料电池系统的冷却模块包括：被配置成在其中接收冷却剂的箱；冷却剂；与所述箱中的所述冷却剂和所述燃料电池系统流体连通的泵，所述泵被配置成将所述冷却剂传输到所述燃料电池系统；所述箱中的所述冷却剂内的加热元件，所述加热元件被配置成加热所述冷却剂；以及与控制器进行信号通信并与所述箱流体连通的至少一个传感器。所述传感器被配置成检测对应于存在或不存在足够的液体冷却剂的变化以启动所述泵，并且所述控制器处理传感器数据并被配置成致动所述泵。

在一些实施方式中，所述冷却剂可以至少冻结或部分冻结。所述冷却剂可以是水。所述传感器可以位于远离液体或冻结的冷却剂的位置，并且被定位成测量所述冷却剂的蒸气相的特性(quality)。所述传感器可以测量蒸气压力和蒸汽温度中的至少一个的变化。所述控制器可以被配置成加热所述冷却剂，直到达到所述传感器指示的蒸气压力和蒸气温度中的至少一个的预定设置点。在一些方面中，所述传感器可以是放置在所述冷却剂中的一个或更多个潜水式应变计、机电式开关(例如双金属开关)、热电偶、或密度小于冷却剂密度的浮标。在一些方面中，所述泵可以是蠕动泵。在一些实施方式中，所述控制器可以被配置成加热与所述冷却剂热连通的(一个或更多个)加热元件，并且加热所述冷却剂直到达到所述热电偶指示的蒸气温度的预定设置点。所述应变计可以设置在所述冷却剂中。在一些方面中，所述加热元件可以包括电阻加热器。在另一个方面中，所述加热元件可以包括来自所述燃料电池系统的排气，当所述冷却剂处于其冻结状态时，所述排气具有足够的温度以融化至少一部分冷却剂。

根据本公开的另一个方面，一种用于燃料电池系统的冷却模块包括：被配置成在其中接收冷却剂的箱；水冷却剂；与所述箱中的所述水冷却剂和所述燃料电池系统流体连通的泵，所述泵被配置成将所述冷却剂传输到所述燃料电池系统；所述箱中的所述水冷却剂内的加热元件，所述加热元件被配置成与所述冷却剂热连通并由此加热所述水冷却剂；以及与控制器进行信号通信并与所述箱的一部分物理接触的至少一个传感器，该至少一个传感器被配置成检测所述水冷却剂施加在所述箱或其任何部分上的应力的变化。所述水冷却剂的相(phase)对应于存在或不存在足够的液体冷却剂来启动所述泵，并且所述控制器处理传感器数据并被配置成致动所述泵。在一些方面中，所述水冷却剂可以冻结或部分冻结。所述传感器可以位于所述箱的外部上并且不浸入所述水冷却剂中。

根据本公开的另一个方面，一种检测用于燃料电池系统的可流动冷却剂的方法包括以下步骤：将冷却剂引入箱中；通过与所述冷却剂热连通的加热元件来加热所述冷却剂；通过与所述箱流体连通的传感器来测量与所述冷却剂相关联的变化；通过与所述传感器信号通信的控制器来处理所述测量值；根据所述测量值来确定是否有足够的液体冷却剂可用于传输到所述燃料电池；以及致动与所述控制器进行信号通信的泵以便通过所述泵将所述液体冷却剂移动到所述燃料电池系统，所述泵与所述箱和所述燃料电池系统流体连通。

在一些方面中，所述冷却剂可以是水。所述加热步骤可以包括在所述箱内产生蒸气，并且所述传感器可以被配置成测量蒸气压力和蒸气温度中的至少一个。所述传感器可以是热电偶、压力传感器、双金属开关、应变计或浮标。在一些方面中，所述传感器是放置在所述冷却剂中的潜水式应变计。

附图说明

在结合附图阅读时进一步理解本申请。出于说明本申请主题的目的，在附图中示出了主题的示例性实施方式；然而，当前公开的主题不限于所公开的具体方法、装置和系统。此外，附图不必按比例绘制。在附图中：

图1示出了根据本公开的一个方面的燃料电池系统的示意图；

图2示出了根据本公开的另一个方面的燃料电池系统的示意图；

图3示出了根据本公开的一个方面的冷却剂模块的示意图；以及

图4示出了描绘根据本公开的一个方面的燃料电池系统的操作方法的流程图。

具体实施方式

现在将参考附图详细描述本公开的各方面，其中除非另有说明，否则相似的参考数字始终表示相似的元件。在以下描述中，仅出于便利目的而并非出于限制性目的来使用某些术语。如本文所使用的，术语“多个”意指超过一个。除非上下文另外明确指出，否则单数形式“一个(a)”、“一种(an)”和“所述(the)”包括复数引用，并且对特定数值的引用至少包括该特定值。因此，例如，对“一种材料”的引用是对此类材料以及本领域技术人员已知的其等价物等的至少一种的引用。

当通过使用先行词“约”将值表达为近似值时，将理解的是，特定值形成了另一个实施方式。通常，使用术语“约”表示近似值，其能够根据公开主题所寻求获得的期望性质而变化并且根据其功能在其特定使用背景下加以解释，并且本领域技术人员将能够如此解释它。在一些情况下，用于特定值的有效数字的数目可以是一种确定单词“约”的范围的非限制性方法。在其他情况下，一系列值中使用的渐变/层次(gradations)可以用于针对每个值确定术语“约”可用的预期范围。当存在时，所有范围都包括在内并且可以结合。也就是说，对范围中所述的值的引用包括该范围内的每个和全部值。

所公开的燃料电池系统可以用于各种环境。这样，对于有效操作来说，使聚合物离子转移膜保持水合(hydrated)可以是有利的。由于产生的热量，对控制燃料电池堆的温度也可以是有益的。因此，可以将冷却剂供应到堆以用于冷却和/或水合。因此，燃料电池系统可以包括用于燃料电池堆的水合和/或冷却的冷却剂箱。在一些方面中，冷却剂可以包括水，并且冷却剂箱可以是水箱。尽管本文所述的示例性实施方式可以教导使用水作为冷却剂，但是应当理解的是，本公开不是只限于水。虽然贯穿本公开可以互换地使用“水”和“冷却剂”，但是其他合适的流体和混合物可以包括冷却剂。

在一些示例性实施方式中，可以在周围温度低于冷却剂的凝固点的环境中存储或操作燃料电池系统。例如，在使用水的一些方面中可以在零摄氏度以下的温度条件下储存或操作燃料电池系统，并且燃料电池堆和储水箱中的水可以冻结。冻结的水可以导致堵塞，该堵塞阻碍了向燃料电池堆供应冷却剂或水合水。当燃料电池系统关闭并且储水箱中的水不再通过其流经堆而被加热时，这是一个特殊问题。水然后可以完全冻结。在这种情况下，水合和/或冷却可能无法使用足够的液态水。因此，可以防止燃料电池组件重新启动或以全功率运行，直到冻结的水已经解冻。

在一些示例性实施方式中，加热元件可以设置在燃料电池系统中以融化冻结的冷却剂。加热器可以通过电池或另一种电源来进行操作，并且将燃料电池系统保持在冻结温度以上以防止冷却剂/水的冻结。

在利用电池电力来操作加热元件的方面中，电池电力可能是有限的，并且如果电池失效或放电，则燃料电池系统可经历冻结。这样，在需要液体冷却剂的情况下间歇地操作加热元件可以是有利的，而不是一直或以预设时间周期操作加热元件。附加地，利用由燃料电池系统的操作产生的热量而不是电池可以是有利的，因为电池在低温下可能经历低性能。

在一些实施方式中，燃料电池系统可以包括被配置成接收并包含冷却剂(例如水)的冷却剂模块。在冷却剂包括水并且燃料电池系统处于零摄氏度以下的环境中的一些示例性方面中，模块中的水可以冻结。当重新启动燃料电池系统时，可需要来自模块的水以用于冷却燃料电池堆和/或形成燃料电池堆的燃料电池的燃料电池膜的水合。一些燃料电池系统缺乏用于在系统断电时保持高于冻结温度的加热元件。如果冷却剂模块中的水冻结，则其必须解冻以使得其可用于燃料电池组件。

参考图1，燃料电池系统1可以包括燃料电池组件2、冷却剂模块3和泵11。冷却剂模块3可以包括一个或更多个冷却剂箱9。泵11可被配置成将冷却剂从冷却剂模块3的冷却剂箱9移动到燃料电池组件2。燃料电池组件2可以接收通过阳极入口4的燃料(诸如氢气)流以及通过阴极入口5的氧化剂(诸如空气)流。阳极排气装置6可以设置在燃料电池组件2上并且可以被配置成允许燃料流过燃料电池组件。阴极排气装置7可以设置在燃料电池组件2上并且可以被配置成允许氧化剂流过燃料电池组件。应当理解的是，排气流还携带反应副产物以及可能已经穿过燃料电池组件2的任何冷却剂/水合液体。阴极排气装置7可以包括用于将冷却剂(例如水)与阴极排气流分离的冷却剂分离器8。分离的水可以储存在冷却剂存储模块3中。应当理解的是，虽然该实例示出了已经穿过堆的水冷却剂的再循环，本公开可应用于不循环冷却剂或以不同方式循环冷却剂的系统。

冷却剂存储模块3可以通过导管连接到燃料电池组件2。可替代地，冷却剂存储模块3可以与堆中的燃料电池集成。如图1所示，冷却剂存储模块3可以连接到阴极入口5以允许将冷却剂引入阴极流中从而用于燃料电池组件2的蒸发冷却。可替代地，可以通过单独的导管将冷却剂引入燃料电池组件。

可以通过冷却剂注入控制器10来控制冷却剂的流动。冷却剂注入控制器10可以形成用于控制燃料电池系统的进一步操作的燃料电池系统控制器15的部分。冷却剂注入控制器10可以向泵11提供控制信号以便控制向燃料电池组件2递送水。泵11可以与冷却剂模块3和阴极入口5流体连通。泵可以包括通常用于流场的一个或更多个泵送机构，诸如但不限于蠕动泵送、正排量泵、容积式泵送和离心泵送。

控制器10还可以控制设置在冷却剂模块3上或其内的一个或更多个加热器元件。参考图1的示意性实施方式，位于冷却剂存储模块3中的加热器元件12、13与冷却剂注入控制器10电联接。

在一些方面中，加热器元件12、13可以包括第一加热器元件12以及与所述第一加热器元件间隔开的第二加热器元件13。冷却剂存储模块3可以包括被配置成将冷却剂供应到燃料电池组件的多个冷却剂储箱9。每个冷却剂储箱可以具有一个或更多个加热器元件。一个或更多个加热器元件可以是电力驱动的或燃烧能量驱动的并且可以包括散热元件，所述散热元件可以包括将热量从燃料电池系统的一部分移动到另一个部分的电阻加热器或热管或热交换器。在一些实施方式中，例如，在燃料电池组件的启动之后，驱动氧化剂通过燃料电池组件的压缩机相对快速地升温，并且热交换和工作流体和/或热管可以将热量从压缩机移动到冷却剂存储模块。在一些方面中，在阴极排气装置7处离开燃料电池组件的排气是足够热的。该排气可以用于向冷却剂存储模块提供热量并加热其中的冷却剂，例如通过对流方式。在其他情况下，可以通过利用感应、对流、传导和辐射的热连通的任何组合来施加热量。可以通过一种或多种其他合适的加热方法(例如通过微波加热)来加热冷却剂。可以通过施加来自与箱、冷却剂或两者热连通的一个或更多个加热元件的热量进行加热。在一些方面中，燃料电池系统1可以包括一个或更多个传感器14。传感器14可以与冷却剂注入控制器10进行通信，并且可以提供燃料电池组件2的性能的一个或更多个测量值。

在一些示例性实施方式中，燃料电池系统可以被配置成检测冷却剂模块中可用的液体冷却剂的存在和/或数量。可以在冻结温度以下的环境中储存或操作燃料电池系统，并且冷却剂模块中的一些或全部冷却剂可以被冻结。如贯穿本说明书详细描述的，可以使用一个或更多个加热器元件来融化部分或全部冻结的冷却剂，使得液体冷却剂可用于冷却和/或水合燃料电池组件。

参考图2，燃料电池系统101可以包括：燃料电池组件102(其可以是燃料电池堆102)、冷却剂模块103、冷却剂模块103内的冷却剂储箱109、与冷却剂模块103和燃料电池组件102流体连通的泵111以及一个或更多个感测仪器。在一些方面中，燃料电池系统101还可以包括设置在冷却剂模块103上或冷却剂模块103内并且被配置成加热冷却剂的一个或更多个加热器元件112。当燃料电池系统的操作需要液体冷却剂时，可以致动加热器元件112以便融化冷却剂模块中的一些或全部冷却剂。

感测仪器可以被配置成检测和/或量化融化(液态)的冷却剂(例如液态水)的存在。感测仪器可以检测冷却剂模块103中的液体冷却剂的存在，并且可以将命令信号传输到控制器110。控制器110可以致动泵111以便将融化的冷却剂从冷却剂模块103移动到燃料电池组件102。在一些实施方式中，控制器110可以将命令信号传输到一个或更多个加热器元件112，以便致动加热器元件来加热冷却剂或者终止加热器元件的加热。

继续参考图2，当冷却剂模块103中的水冻结时，可以致动加热器元件112以融化一些或全部的水。在一些方面中，感测仪器可以包括机电式开关120，其可以包括被配置成检测冷却剂模块103中的冷却剂的温度变化的温度计或者可以可操作地联接到该温度计。当冻结的水融化时，一部分液态水可蒸发以形成水蒸气。因此，在一些方面中，温度计可检测并量化通过加热冷却剂而产生的蒸气温度增加。在一些示例性实施方式中，温度计是双金属温度计，其可以被配置成在冷却剂模块内的冷却剂或由蒸发的冷却剂形成的蒸气的温度大于双金属温度计指示的预定温度阈值时致动机电式开关120。应当理解的是，可以取决于期望的温度设置和预定阈值而使用各种双金属温度计。例如，双金属温度计可以包括具有不同的温度相关膨胀和收缩特性的两种材料，使得当第一材料膨胀或收缩时，其转变成不同的尺寸或形状。第二材料固定地附接到第一材料，使得第一材料的物理变化导致第二材料的物理变化。在一些方面中，机电式开关可以包括具有桥接器的电路，所述桥接器被配置成在达到温度阈值时打开或关闭电路，在一些实施方式中，可以在没有微处理器控制的情况下使用这种类型的简单开关。

仍然参考图2，水蒸气移动通过压力传输管122并且接触机电式开关120。水蒸气的预定阈值温度可以对应于冷却剂模块103中的期望的融化水量。一旦超过预定阈值温度，机电式开关120就被激活，从而向控制器110传输命令信号。控制器110可以致动泵111以便从冷却剂模块103移动一些或全部融化的液态水。在一些实施方式中，控制器110可以致动加热器元件112以停止加热冷却剂。这可以是有利的，因为通过仅融化启动燃料电池系统所需的冷却剂量可以节省能量和时间。

在一些方面中，感测仪器可以被配置成检测压力的变化。可以计算冷却剂模块103内的压力、特定冷却剂储箱109内的压力、和/或感测仪器位置处的压力。在一些方面中，感测仪器可以包括一个或更多个压力传感器126。压力传感器126可以被配置成检测和量化燃料电池系统中的蒸气压力。当通过加热器元件112使更多的冷却剂融化时，更多的液体冷却剂蒸发成蒸气。当蒸气压力大于由压力传感器126指示的预定压力阈值时，压力传感器可以将命令信号传输到控制器110。如同温度感测一样，应当理解的是，预定阈值压力可以取决于期望的融化的冷却剂量而变化。在一些方面中，燃料电池系统可以包括多个压力传感器126。压力传感器126可以设置在系统的不同部件中，例如在冷却剂储箱109或压力传输管122内。

在另一个示例性实施方式中，感测仪器可以包括设置在冷却剂模块103上或其内的一个或更多个应变计124。应变计124可以被配置成测量冷却剂模块103的一部分的膨胀或收缩。当冷却剂(诸如水)冻结时，冷却剂的体积膨胀；相反，当冻结的冷却剂融化时，冷却剂的总体积收缩。箱可以由金属材料、非金属材料形成，或者包含一个或更多个非金属部分和一个或更多个金属部分。非金属材料或部分可以被配置成比金属材料更柔性，由此适应由于膨胀和收缩而引起的某个体积变化。冷却剂储箱109可以被配置成在冷却剂冻结和融化时分别膨胀和收缩。在一些实施方式中，整个冷却剂模块103可以膨胀和收缩。应变计124可检测并测量由于冷却剂的相应冻结和融化而引起的膨胀和收缩的量。在一些方面中，应变计124可以测量对应于一些或全部的冻结的冷却剂融化的收缩量。一旦应变计124检测到超过预定应变阈值的变化，应变计就可以将信号传输到控制器110。如同本文公开的其他实施方式一样，应当理解的是，预定应变阈值可以变化并且可以基于冷却剂模块103中的期望的液体冷却剂量来确定。

在一些方面中，可以利用多个应变计124。多个应变计124可以设置在冷却剂模块的不同部分上。例如，可以将第一应变计放置成与第二应变计相对(apposite)。在一些方面中，应变计124可以设置在冷却剂模块103内或冷却剂模块的外表面。应变计可以定位在冷却剂储箱109上或冷却剂模块103的另一个部件上。在一些实施方式中，应变计124可以设置在与加热器元件112基本上间隔开的冻结的冷却剂上，使得应变计可以更准确地测量冻结的冷却剂的变化，并且不会受到加热器元件的紧密接近的显著影响。在一些方面中，应变计124可以设置在与泵111的流体连接附近。将应变计放置在泵附近可以是有利的，因为它增加了量化在泵接口处有多少融化的冷却剂可用于泵送的准确性。

在一些实施方式中，当冷却剂处于冻结状态时，应变计124可以没入冷却剂中或与冷却剂接触。应变计124可以检测冷却剂的融化。在此类方面中，在冷却剂的各个部分上包括多个应变计124可以是进一步有利的。每个应变计可以向控制器110传输命令信号，所述控制器110可以基于从一个或更多个应变计接收的一个或更多个信号来计算融化的冷却剂的准确量。在一些方面中，应变计可以用作机电式开关。应变计可以形成电路的一部分，使得当达到应变阈值时，应变计打开或关闭电路。

可以使用各种类型的应变计。例如，在一些实施方式中，应变计可以被配置成测量压缩。可替代地，应变计可以被配置成测量张力。进一步可替代地，应变计可以被配置成测量剪切应变。在一些方面中，可以在燃料电池系统中使用多于一种类型的应变计。

在又一个实施方式中，感测仪器可以包括设置在冷却剂模块103内的浮标128。浮标128包括与燃料电池系统中使用的冷却剂(在冷却剂处于固态或液态时)相比密度更小的材料，并且因此浮标128被配置成总是位于冻结或融化的冷却剂的体积的表面上。当冷却剂冻结时，冷却剂的总体积可膨胀；相反，当冷却剂融化时，总体积可收缩。浮标128被配置成在冷却剂膨胀时沿第一方向移动，并且在冷却剂收缩时沿与第一方向相反的第二方向移动。参考图3，浮标128可以设置在冷却剂模块103内，使得当冷却剂(例如，水)冻结时，浮标128在冷却剂模块中垂直向上移动；并且当冷却剂融化时，浮标128垂直向下移动。

浮标128可以机械地或电气地联接到控制器110，并且浮标128可以向冷却剂注入控制器传输对应于浮标128的移动距离和方向的信号。在一些实施方式中，冷却剂模块103可以包括在浮标128沿着第一方向或第二方向移动时进行切换的一个或更多个开关129。开关可以是机械开关(诸如按钮)或数字开关(诸如光学传感器)。

控制器110可以被配置有程序以便转换从应变计、压力传感器、双金属温度计、浮标或另一个测量仪器接收的信号，并且冷却剂注入控制器可以从一个或更多个测量仪器120接收多个信号。程序可以包括本文所述的每个测量仪器的预定阈值，并且程序可以由用户修改。程序还可以将命令信号传输到燃料电池系统的其他部件，诸如加热器元件、泵或另一种系统控制器。

在一些方面中，控制器110可以致动加热器元件112以便加热冷却剂、改变加热速率或终止加热。在其中在冻结温度以下的环境中储存或操作燃料电池系统的一些示例性实施方式中，融化比有效操作燃料电池系统所需的最小量更多的冷却剂可以是有利的。在冻结温度以下的环境中，融化的冷却剂经历重新冻结，因为它接触同样处于冻结温度以下的燃料电池系统的部件。这样，考虑预期要重新冻结的液体冷却剂的量可以是有利的。可以通过融化更大体积的冷却剂来克服该缺点。为了避免在重新冻结时的液体冷却剂短缺，融化的冷却剂应当至少等于以下总和：有效操作燃料电池系统所需的体积，以及预期在与冻结温度以下的部件接触时重新冻结的液体冷却剂的体积。

在一些方面中，可以将冷却剂加热到高于其融化点的温度。通过加热超过融化点，融化的冷却剂可以与燃料电池系统的各个部件(例如，压力传输管122)接合，同时此类部件处于冻结温度以下。恰好加热到融化点(或非实质地高于融化点)的冷却剂可以在接触到任何更低温度的部件时重新冻结。这可以阻碍已经检测到一定量的融化的冷却剂但是由于其一部分重新冻结而不能利用整个内容物的燃料电池系统。因此，通过将冷却剂加热到大于融化点的合适温度，确保了冷却剂即使在与更冷的部件接触之后也将保持液体形式。在利用水作为冷却剂的一些示例性实施方式中，可以将水加热到约1℃、约10℃、约20℃、约30℃、约40℃或更高的温度中的至少一个。

转到图4，示出了为了操作燃料电池系统101而检测可流动冷却剂的示例性方法。方法可以由燃料电池系统控制器110执行。执行操作方法以使得燃料电池系统在寒冷或冻结的周围条件下使用时能够有效启动。在寒冷或冻结的周围条件下，存在燃料电池组件102所需的冷却剂可能不可用的风险，因为所述冷却剂在冷却剂存储模块103中冻结。对于燃料电池系统来说重要的是：识别何时可以存在不足量的可用冷却剂并且相应地修改其操作以实现燃料电池系统的可靠启动。当燃料电池系统101为车辆提供动力时，这是特别重要的。车辆用户将期望燃料电池系统可靠地启动，并且能够在各式各样的操作环境中为车辆提供有效的动力。鉴于燃料电池组件为了有效操作而需要的资源(诸如冷却剂)可以至少在初始时不可用，这是一个挑战。

如图4所示，在步骤20中，打开燃料电池系统101以操作燃料电池组件102。这可以包括对电气系统(诸如控制器110和其他部件)的供电。这可以开始向燃料电池组件102供应燃料和氧化剂。

步骤21示出了燃料电池系统101的温度的确定。设置在燃料电池系统的一个或更多个部件上的一个或更多个温度传感器可以测量周围环境和/或燃料电池系统的个体部件的温度。在一些实施方式中，温度传感器设置在冷却剂模块103上或冷却剂模块103内以测量其中的冷却剂的温度。将所确定的温度、或来自多个温度传感器的多个温度测量值的最小值或最大值或平均值与预定温度阈值进行比较以确定冷却剂冻结的风险。在一些示例性实施方式中，预定温度阈值为约10℃。应当理解的是，预定温度可以是0℃、1℃、2℃、3℃、4℃、5℃、6℃、7℃、8℃、9℃，或与燃料电池系统需要的冷却剂或其他可冻结资源的冻结点相关的一些其他值。如果所确定的温度低于预定温度阈值，则方法行进到步骤22，其中燃料电池系统101确保有足够的液体冷却剂以有效地操作系统。如果测量温度大于或等于预定温度，则以步骤24所表示的“正常操作模式”操作燃料电池系统。在正常操作模式中，燃料电池系统可以停止通过一个或更多个加热元件(诸如电阻加热器或来自燃料电池组件的加热排气)加热冷却剂。

在步骤22中，燃料电池系统101激活冷却剂内或其附近的加热元件，如贯穿本公开所描述的。加热元件加热冷却剂，直到一些或全部冷却剂融化。在步骤23中，如本文所述的一个或更多个感测仪器检测和/或量化可用于在燃料电池系统101中立即使用的液体冷却剂的存在。一旦检测到所需量的液体冷却剂，泵111就能够开始将液体冷却剂从冷却剂模块103移动到燃料电池组件102，并且燃料电池系统101可以继续如步骤24所指示的正常操作。

虽然用不同的参考数字来标记，但应当理解的是，除非另有明确说明，否则各个部件和元件的描述像其适用于特定实施方式一样可以适用于所有实施方式。

尽管已经结合各个附图的各个方面描述了本公开，但本领域技术人员将理解的是，可以对上述方面做出改变而不背离其广义的发明概念。因此，应当理解的是，本公开不限于所公开的特定方面，并且其旨在涵盖由权利要求所定义的本公开的精神和范围内的修改。

以上在单独的实施方式的背景中描述的本公开的特征可以在单个实施方式中组合提供。相反，在单个实施方式的背景中描述的本公开的各种特征也可以单独地或以任何子组合提供。最后，尽管可以将实施方式描述为一系列步骤的一部分或者更一般结构的一部分，每个所述步骤本身也可以被认为是可与其他的组合的独立实施方式。

Claims (20)

1.一种用于燃料电池系统的冷却模块，所述冷却模块包括：

被配置成接收第一材料的第一腔室；

被配置成接收第二材料的第二腔室；以及

设置在所述第一腔室与所述第二腔室之间的第一隔热层，

其中所述第二腔室至少部分地围绕所述第一腔室，并且

其中在周围温度降低时，在所述第一材料开始冻结之前，所述第二材料开始冻结。

2.根据权利要求1所述的冷却剂模块，其中所述第一材料和所述第二材料中的至少一个是水。

3.根据权利要求1或权利要求2所述的冷却剂模块，其中所述第一材料和所述第二材料中的至少一个是放热凝胶。

4.根据任一项前述权利要求所述的冷却剂模块，其还包括围绕所述冷却模块的第二隔热体。

5.根据任一项前述权利要求所述的冷却剂模块，其还包括与所述第一材料流体连通的至少一个加热元件。

6.根据任一项前述权利要求所述的冷却剂模块，其还包括与所述第二材料流体连通的至少一个加热元件。

7.根据权利要求5或6所述的冷却剂模块，其还包括：

至少一个温度传感器；

与所述至少一个温度传感器信号通信的控制器，

其中所述控制器响应于如由所述至少一个温度传感器所指示的温度数据来控制向所述至少一个加热元件提供的电力。

8.根据权利要求7所述的冷却剂模块，其中所述至少一个温度传感器包括双金属开关。

9.根据权利要求7至8中任一项所述的冷却剂模块，其中所述控制器被配置成加热所述第一材料和所述第二材料中的至少一个，直到如由所述温度传感器所指示的达到预定温度设置点。

10.根据权利要求7至9中任一项所述的冷却剂模块，其中所述至少一个加热元件包括电阻加热器。

11.根据权利要求7至9中任一项所述的冷却剂模块，其中所述至少一个加热元件包括来自所述燃料电池系统的排气，所述排气具有足够的温度以融化所述第一材料和所述第二材料中的至少一个的至少一部分。

12.根据权利要求7至11中任一项所述的冷却剂模块，其还包括应变计，所述应变计被配置成检测所述第一材料和所述第二材料中的至少一个的冻结物理状态的量的变化。

13.根据权利要求7至11中任一项所述的冷却剂模块，其还包括压力传感器，所述压力传感器被配置成检测所述第一材料和所述第二材料中的至少一个的蒸气状态的压力变化。

14.根据权利要求7至11中任一项所述的冷却剂模块，其还包括浮标，所述浮标被配置成响应于所述第一材料和所述第二材料中的至少一个的冻结物理状态的量的变化，沿着第一方向以及与所述第一方向相反的第二方向移动。

15.根据任一项前述权利要求所述的冷却剂模块，其中所述第二腔室被配置成膨胀和收缩而不破裂，所述第二腔室在所述第二材料冻结时膨胀并且在所述第二材料融化时收缩。

16.根据权利要求15所述的冷却剂模块，其中所述第二腔室是球形第二腔室和圆柱形第二腔室中的一个。

17.一种延迟燃料电池系统中的第一材料的冻结的方法，所述方法包括以下步骤：

将所述第一材料引入第一腔室中；

将第二材料引入第二腔室中，所述第二腔室通过第一隔热层与所述第一腔室分开；以及

保持所述第二材料处于液态，同时允许所述第一材料响应于减少或增加的周围温度而冻结或融化。

18.根据权利要求17所述的延迟燃料电池系统中的第一材料的冻结的方法，其还包括通过加热元件来加热所述第二腔室的步骤。

19.根据权利要求18所述的延迟燃料电池系统中的第一材料的冻结的方法，其还包括通过加热元件来加热所述第一腔室的步骤。

20.根据权利要求17所述的延迟燃料电池系统中的第一材料的冻结的方法，其还包括使用温度传感器在所述第一腔室和所述第二腔室中的至少一个中维持期望的温度以使得所述第一材料和所述第二材料中的至少一个处于所述液体物理状态的步骤。