TW201407872A - 用於燃料電池的冷卻系統 - Google Patents

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Abstract

一種燃料電池堆疊總成包含一堆疊之燃料電池，每一燃料電池具有一冷卻空氣導管，該冷卻空氣導管具有安置於該堆疊之一通風面上之一輸入/輸出通風孔隙。該等通風孔隙於該堆疊之該通風面上方形成一陣列。一第一風扇經組態以引導氣流通過該通風面之一第一部分，且一第二風扇經組態以引導氣流通過該通風面之一第二部分。一可重組態充氣部係與該第一風扇及該第二風扇流體連通，且具有：一第一組態，在該第一組態中，空氣由該第一風扇及該第二風扇在相同方向上引導通過該通風面之該第一部分及該第二部分；及一第二組態，在該第二組態中，空氣由該等風扇中之至少一者分別在相反方向上引導通過該通風面之該第一部分及該第二部分。當在該第二組態中操作時，通過該通風面之該第一部分及該第二部分之氣流之該等方向被週期性地逆轉。

Description

用於燃料電池的冷卻系統
本發明係關於以堆疊形式安置之電化學燃料電池，且詳言之，係關於用於此等燃料電池堆疊之冷卻系統。
習知電化學燃料電池將燃料及氧化劑(兩者通常為氣態流之形式)轉換成電能及反應產物。用於使氫氣與氧氣反應的普通類型之電化學燃料電池在薄膜電極總成(MEA)內包含聚合離子轉移薄膜(亦被稱為質子交換薄膜(PEM))，其中燃料及空氣越過薄膜之各別側。質子(亦即，氫離子)係經由薄膜傳導，由經由連接燃料電池之陽極與陰極之電路所傳導之電子所平衡。為了增加可用電壓，形成包含配置有單獨陽極及陰極流體流徑之複數個串聯連接之MEA的堆疊。此堆疊典型地為區塊之形式，該區塊包含藉由在堆疊之任一末端處之端板固持在一起之眾多個別燃料電池板。
因為燃料與氧化劑之反應產生熱以及電力，所以燃料電池堆疊需要在已達到操作溫度後冷卻，以避免對燃料電池之損害。可藉由迫使空氣通過燃料電池堆疊來達成冷卻。在開放陰極堆疊中，氧化劑流徑及冷卻劑流徑係相同的，亦即，迫使空氣通過陰極流體流徑將氧化劑供應至陰極且使堆疊冷卻。
然而，燃料電池堆疊之最佳操作依賴於將燃料電池維持在其最佳操作溫度下，且燃料電池堆疊效率在低環境溫度下或當堆疊係自冷起 動時可受到不利影響。因此，需要能夠調節氣流通過陰極之冷卻效率。
用於達成此目的之一項技術為使來自燃料電池堆疊之已越過陰極之廢氣中之一些或全部再循環回至堆疊空氣輸入。廢氣係藉由其第一遍通過堆疊來預熱，且管道將此廢氣轉送至堆疊之前部以再使用，可能與某一比例之冷空氣混合，從而使總冷卻效率降低且允許燃料電池堆疊在低環境溫度下有效率地運行。此配置之潛在缺點為，需要大量管道將空氣自燃料電池堆疊之輸出面繞過堆疊而傳至輸入面。此增加燃料電池系統之體積，且限制用於將建置於燃料電池堆疊上之其他支援系統的空間之量。
此再循環配置之另一潛在缺點為，經再循環之暖空氣在與極冷之環境空氣混合後可造成實質冷凝出現在至燃料電池堆疊之入口處。
本發明之一目標為提供用於提供對通過一燃料電池堆疊之氣流之冷卻效率的某一程度之控制之一替代配置。
根據一態樣，本發明提供一種燃料電池堆疊總成，其包含：一堆疊燃料電池，每一燃料電池具有具安置於該堆疊之一通風面上之一輸入/輸出通風孔隙之一冷卻空氣導管，該等通風孔隙於該堆疊之該通風面上方形成一陣列；一第一風扇，其經組態以引導氣流通過該通風面之一第一部分，及一第二風扇，其經組態以引導氣流通過該通風面之一第二部分；一可重組態充氣部，其與該第一風扇及該第二風扇流體連通，該充氣部具有：一第一組態，在該第一組態中，空氣由該第一風扇及該第二風扇引導而在相同方向上通過該通風面之該第一部分及該第二部分；及一第二組態，在該第二組態中，空氣由該等風扇中之至少一者引導而分別在相反方向上通過該通風面之該第一部分及該第二部分。
該充氣部可隨該燃料電池堆疊之至少一部分之操作溫度及/ 或操作時間而自動地可重組態。該可重組態充氣部可包含：一第一末端，其最接近該第一風扇及該第二風扇；及一第二末端，其遠離該第一風扇及該第二風扇、可在一打開組態與一關閉組態之間切換，該打開組態有助於氣流在該第二末端處離開該充氣部且該關閉組態迫使至少一些空氣自該第一風扇返回至該第二風扇。該可重組態充氣部可在該打開組態與該關閉組態之間的複數個中間組態中可重組態，每一中間組態迫使不同比例之空氣自該第一風扇返回至該第二風扇。該可重組態充氣部可包括在該充氣部之該第二末端處之一可變閉合構件。該燃料電池堆疊總成可包括一風扇控制器，該風扇控制器經組態以在該可重組態充氣部處於該第二組態中時在相反方向上驅動該第一風扇及該第二風扇。該燃料電池堆疊總成可包括一風扇控制器，該風扇控制器經組態以在該可重組態充氣部處於該第二組態中時驅動該第一風扇且使該第二風扇停機。該燃料電池堆疊總成可包括複數個該等第一風扇及複數個該等第二風扇，該等第一風扇及該等第二風扇中之每一者與一該可重組態充氣部合作。該等第一風扇及該等第二風扇可按群組配置，每一群組與一個該可重組態充氣部合作。該通風面之該第一部分及該通風面之該第二部分可對應於相同電池之不同部分。該第一風扇及該第二風扇可彼此鄰近且鄰近該通風面。該燃料電池堆疊總成可包括：一第一逆向操作風扇，其經組態以在與該第一風扇之方向相反之一方向上引導氣流通過該通風面之該第一部分；及一第二逆向操作風扇，其經組態以在與該第二風扇之方向相反之一方向上引導氣流通過該通風面之該第二部分。該燃料電池堆疊可包括一控制系統，該控制系統經調適以在該系統正在該第二組態中操作時，週期性地逆轉氣流通過該通風面之該第一部分及該第二部分之該等方向。
根據另一態樣，本發明提供一種操作一氣冷式燃料電池堆疊之方法，其中該堆疊中之每一燃料電池具有具安置於該堆疊之一通風面上 的一輸入/輸出通風孔隙之一冷卻空氣導管，該等通風孔隙於該堆疊之該通風面上方形成一陣列，該通風面具有一第一部分及一第二部分，該方法包含：在一第一操作模式中，使用一第一風扇及一第二風扇使該堆疊通風，該第一風扇引導空氣通過該通風面之一第一部分且該第二風扇引導空氣通過該通風面之一第二部分，通過該第一部分及該第二部分之該氣流在相同方向上；在一第二操作模式中，使用至少該第一風扇使該堆疊通風，以在一第一方向上引導空氣通過該通風面之該第一部分及在與該第一方向相反之一第二方向上引導空氣通過該通風面之該第二部分。
在該第二操作模式中，可使用該第一風扇以在該第一方向上引導氣流通過該通風面之該第一部分及使用該第二風扇以在與該第一方向相反之該第二方向上引導該空氣通過該通風面之該第二部分來使該堆疊通風。可藉由重組態與該第一風扇及該第二風扇流體連通之一可重組態充氣部而在該第一操作模式與該第二操作模式之間切換燃料電池堆疊通風之操作，該可重組態充氣部具有：一第一末端，其最接近該第一風扇及該第二風扇；及一第二末端，其遠離該第一風扇及該第二風扇、可在一打開組態與一關閉組態之間切換，該打開組態有助於氣流在該第二末端處離開該充氣部且該關閉組態迫使至少一些空氣自該第一風扇返回至該通風面之該第二部分。可提供隨燃料電池之操作溫度及/或操作時間而變的在該第一模式與該第二模式之間的自動切換。當在該第二操作模式中操作時，通過該通風面之該第一部分及該第二部分之氣流之該等方向可週期性地逆轉。
圖1展示用於燃料電池堆疊的通風系統之百頁片面板、風扇容納箱及 空氣過濾器箱組件之分解透視圖；圖2自反面展示處於水平成排之下部排通風組態中的圖1之已組裝之百頁片面板及風扇容納箱之透視圖；圖3自反面展示處於水平成排之上部排通風組態中的圖1之已組裝之百頁片面板及風扇容納箱之透視圖；圖4自反面展示處於完全關閉組態中的圖1之已組裝之百頁片面板及風扇容納箱之透視圖；圖5自反面展示處於水平成排之完全再循環組態中的圖1之已組裝之百頁片面板及風扇容納箱之透視圖；圖6自反面展示處於水平成排之完全打開組態中的圖1之已組裝之百頁片面板及風扇容納箱之透視圖；圖7自反面展示處於圖5之水平成排之完全再循環組態中的圖1之已組裝之百頁片面板及風扇容納箱之橫截面透視圖；圖8展示百頁片面板及風扇容納箱之示意性橫截面圖，其展示百頁片之三個位置；圖9a及圖9b展示處於(a)完全打開之非再循環組態及(b)完全再循環組態中的具有包括百頁片面板之替代組態之通風系統的燃料電池堆疊之示意性橫截面圖；且圖10展示處於(a)部分打開之部分再循環組態中的具有包括百頁片面板之一替代組態的通風系統之燃料電池堆疊之示意性橫截面圖。
現將通過實例且參看附圖來描述本發明之具體實例。
現將關於空氣冷卻式「開放陰極」燃料電池技術來描述本發明，在該技術中，冷卻空氣流直接通過將氧化劑提供至MEA之陰極流道。然而，更通常地，此處所描述之原理可用於燃料電池空氣冷卻，例如，在 冷卻空氣流未必與氧化劑流相同之情況下。
參看圖1，用於燃料電池堆疊(圖上未示)之通風總成1包含百頁片面板2、風扇容納箱3及空氣過濾器箱4。百頁片面板2具有許多百頁片5，該等百頁片之角度安置或位置可變化以便變化通過面板2之氣流。風扇容納箱3具有風扇7之陣列6，該等風扇各自收納於空氣導引室8內。過濾器箱4包含一或多個過濾器單元9。百頁片面板2、風扇容納箱3及空氣過濾器箱4可以許多方式與另外組件(諸如，燃料電池對)組裝在一起或組裝在其他組件周圍，如稍後將變得顯而易見。
圖2展示自另一側檢視的類似於圖1中所展示之部分的通風總成20之部分。通風總成20係以水平成排之下部排通風組態展示，其中風扇7係按排21a至21d水平分群。每一排21具有一百頁片5，且已將該等百頁片分別標記為5a至5d。可看到，百頁片5a及5c處於完全關閉位置中，亦即，如所繪之垂直，而百頁片5b及5d處於完全打開位置中，亦即，如所繪之水平。每一排21係由分別經標註為22a至22c之隔板22分離。如稍後將更詳細描述，隔板22a及22c在每一面上具有楔形狀，而中心隔板22在每一面上係扁平的。控制元件23之一集合係設置於通風總成之側面24上以控制百頁片5a至5d之安置。
圖3展示處於水平成排之上部排通風組態中的通風總成20，其中風扇7係按排21a至21d水平分群。可看到，百頁片5b及5d處於完全關閉位置中，亦即，如所繪之垂直，而百頁片5a及5c處於完全打開位置中，亦即，如所繪之水平。與圖2相比，側面24上之控制元件23之集合經與百頁片5a至5d之不同安置一致地重定位。
圖4展示處於完全關閉組態中的通風總成20，其中百頁片5a至5d全部處於完全關閉位置中，亦即，如所繪之垂直。與圖2及圖3相比，側面24上之控制元件23之集合經與百頁片5a至5d之不同安置一致地 重定位。
圖5展示處於完全再循環組態中的通風總成20，其中百頁片5a至5d全部處於與圖2至圖4之垂直(關閉)位置及水平(打開)位置兩者傾斜之再循環位置中。如稍後關於圖7及圖8將更好地描述，該等百頁片藉以定位以達成完全再循環組態之精確角度係視隔板22a及22c之楔形狀而定。側面24上之控制元件23之集合經與百頁片5a至5d之安置一致地定位。
圖6展示處於完全打開組態中的通風總成20，其中百頁片5a至5d全部處於完全打開位置中，亦即，如所繪之水平。側面24上之控制元件23之集合經與百頁片5a至5d之安置一致地定位。
圖7以橫截面展示通風總成20以更好地展示圖5之完全再循環組態。隔板22a及22c具有楔形狀輪廓，以使得當百頁片5a至5d以如所展示之適當角度定位時，每一百頁片5之遠端邊緣30(與鉸接邊緣31相對)於其寬末端拐角32a或32b處鄰接楔狀物33。百頁片5a及5b各自鄰接楔狀物33a之各別拐角且百頁片5c及5d各自鄰接楔狀物33b之各別拐角。
圖8目前為止所描述的每一百頁片5之三個位置。位置80a識別處於完全打開(水平)位置中之百頁片5；位置80b識別處於完全再循環位置中之百頁片5；且位置80c識別處於完全關閉位置中之百頁片5。該等百頁片5各自於鉸接邊緣31處鉸接。圖8亦展示鄰近風扇7之陣列6的燃料電池堆疊82之一可能安置。
圖9展示併有通風總成41之替代配置的燃料電池堆疊總成40之示意圖。燃料電池堆疊42安置於由風扇44a、44b產生之氣流路徑43a、43b內。燃料電池堆疊包含一堆疊燃料電池，該等燃料電池中之每一者具有延伸穿過燃料電池之一或多個冷卻空氣導管，且每一冷卻空氣導管具有安置於堆疊之第一通風面49a上及第二通風面49b上之輸入/輸出通風孔隙。 該等通風孔隙藉此在燃料電池堆疊之第一通風面49a及第二通風面49b中之每一者上方形成一陣列。
該等風扇44形成類似於關於圖1至圖8所描述之陣列的一陣列，且每一風扇位於一空氣導引室內，該空氣導引室之一分隔壁見於45處。將理解，可見之兩個風扇44a、44b可僅表示陣列之一部分，其可在與圖式正交之平面內延伸且可具有在圖式中所展示之風扇上/下的另外風扇。風扇44a、44b中之每一者經組態以引導氣流通過通風面之各別部分50a、50b，每一部分藉此對應於通風面49b的由各別風扇所覆蓋之區。百頁片面板46包括許多百頁片47，該等百頁片之角度安置或位置可變化以便變化通過百頁片面板46之氣流。在圖9a中，百頁片47展示處於完全打開之非再循環位置中，而在圖9b中，百頁片47展示處於完全關閉之完全再循環位置中展示。將理解，百頁片47亦可在允許一些空氣通過百頁片的部分打開之部分再循環位置中部署。過濾器箱48定位於燃料電池堆疊42前部。
圖10展示併有通風總成61之一替代配置的燃料電池堆疊總成60之另一替代配置之示意圖。燃料電池堆疊62安置於由正向風扇64a、64b及逆流風扇82a、82b產生之氣流路徑內。燃料電池堆疊62包含一堆疊燃料電池，該等燃料電池中之每一者具有延伸穿過燃料電池之一或多個冷卻空氣導管，且每一冷卻空氣導管具有安置於堆疊之第一通風面69a及第二通風面69b上之輸入/輸出通風孔隙。該等通風孔隙藉此在燃料電池堆疊之第一通風面69a及第二通風面69b上方形成一陣列。風扇64、82形成類似於關於圖1至圖8所描述之陣列的兩個陣列。然而，在此配置中，正向風扇64通常共用不具有圖9之配置之分隔壁45的空氣導引室65。類似地，反向風扇82a、82b通常共用正向空氣導引或正向充氣部72。可見的兩個正向風扇64a、64b及兩個反向風扇80a、80b可僅表示該等陣列之一部分，其可在與圖式正交之平面內延伸且可具有在圖式中所展示之風扇上/下的另外 風扇。雖然若風扇正以不同速率操作，則經由空氣導引室65之空氣轉移係可能的，但正向風扇64a、64b中之每一者經組態以大體引導氣流通過通風面69b之各別部分70a、70b。百頁片面板66包括許多百頁片67，該等百頁片之角度安置或位置可變化以便變化通過百頁葉面板66之氣流。在圖10中，展示百頁片67處於部分打開之部分再循環位置中，在該位置中，允許一些空氣通過百頁片。百頁片67亦可部署在完全打開之非再循環位置或完全關閉之完全再循環位置及該兩個位置之間的任何位置中。過濾器箱68定位於燃料電池堆疊62前部。反向風扇82a、82b可為功率低於正向風扇64a、64b之風扇。
現將描述各種通風總成之操作。
首先參看圖9a，在第一操作模式中，通風總成41以完全之非再循環方式使燃料電池堆疊42通風，其中風扇44全部在與箭頭43a及43b所指示相同的方向上汲取通過燃料電池堆疊42之各別部分之空氣，且空氣係經由打開之百頁片47排出。達成最大冷卻(針對給定風扇速度)。在圖9b中所展示之第二操作模式中，百頁片47完全關閉，且上部風扇44a被切換至反向以引導空氣返回通過堆疊42，如由反向氣流路徑43c所描繪，而下部風扇44b被維持在正向方向上以在由氣流路徑43d所描繪之正向方向上汲取通過堆疊42之空氣。關閉之百頁片47確保在正向方向上由風扇44b引導通過通風面49b之部分50b的氣流43d進入充氣部51，且接著被迫作為反方向上的將由反向操作風扇44a引導通過通風面49b之部分50a之氣流43c而返回。分隔壁45確保正向氣流43d及反向氣流43c之分離。反向氣流43c可能不需要風扇44a之反向操作。一些風扇類型在反方向上不能良好或有效率地運行(或可能根本不能運行)，且因此可能僅依賴於由關閉之百頁片47所提供之背壓，從而界定末端關閉之充氣部51以重新引導氣流及斷開風扇44a(或實質上減少風扇44a之操作)。達成最小或減少之冷卻，因為 最大或相當大比例之通過堆疊42之冷卻氣流已一次通過堆疊且因此稍微預熱。
在一部分再循環組態中，百頁片47部分地打開，例如，以斜角安置(例如，類似於圖10中所展示之百頁片67之安置)。藉由斷開風扇中之一者(例如，44a)(或實質上減少該風扇之操作)，來自通風面49b之部分50b的某一比例之氣流43d可作為氣流43c而被引導返回，因為百頁片47及風扇44a之停止或減速產生增加之背壓。堆疊42之對應於通風面49b之部分50a的一部分將根據以下來接收減少之冷卻：(a)反向氣流之預熱，及(b)由使百頁片47部分打開的減少之背壓所造成的氣流之總體積之減少。該等百頁片可採用該打開組態與該關閉組態之間的複數個可能中間組態以用於迫使不同比例之空氣返回。
在鄰近於過濾器48之入口端處，視對由過濾器48提供之氣流之阻抗而定，正向氣流43d及返回氣流43c可在正向充氣部52中混合至某一程度，藉此導致空氣之重複部分再循環。可藉由調整通過過濾器之氣流阻抗來進一步控制此混合。若不需要重複再循環，則可藉由直接鄰近於通風面49a定位過濾器48(亦即，消除正向充氣部52)來避免或實質上減少重複再循環。
在一般態樣中，可看出，藉由百頁片面板46，通風總成41提供與第一風扇44b及第二風扇44a流體連通之可重組態充氣部51。可重組態充氣部51具有第一組態(圖9a)，在該第一組態中，空氣係由第一風扇44b及第二風扇44a在相同方向上引導通過通風面49b之第一部分50b及第二部分50a。該可重組態充氣部具有第二組態(圖9b)，在該第二組態中，空氣係由風扇44b中之至少一者在相反方向上分別引導通過通風面49b之第一部分50b及第二部分50a。此第二組態可或可不受風扇44a之反向操作的輔助。通風總成41亦藉由控制百頁片47角度及風扇速度而提供在此等兩個 極端位置之間的複數個中間位置。
可逆轉該第二組態，以使得風扇44a變為正向驅動風扇且風扇44b被斷開或以反向驅動。以此方式，可交換接收主要冷卻氣流的堆疊之部分與接收後續經預熱反向氣流之部分，從而可確保針對堆疊42之所有部分控制溫度控制。
圖10之通風總成以一類似方式(但具有一些差異)操作。在第一操作模式中，在百頁片67完全打開之情況下，通風總成61以完全非再循環方式使燃料電池堆疊62通風，其中風扇64a、64b全部在相同方向上汲取通過燃料電池堆疊62之各別部分70a、70b之空氣，且空氣係經由打開之百頁片67排出。達成最大冷卻(針對給定風扇速度)。在第二操作模式中，百頁片67完全關閉，且上部風扇64a可能停止、減速或逆轉。百頁片67之關閉導致背壓，使得空氣導引室65中之壓力上升。藉由致動逆流風扇82a，如由反向氣流路徑63a所描繪，至少某一比例之氣流63b被引導返回通過堆疊62。若風扇64在風扇64以正常速度運行時停止或減速，則風扇64b、64a亦將產生對向後流63a之影響，且可能不需要反向風扇82a。達成最小或減少之冷卻，因為最大或相當大比例之通過堆疊62之冷卻氣流已一次通過堆疊且因此稍微預熱。
在如圖10中所展示之另一操作模式中，百頁片67部分地打開，且在兩個先前所描述之組態中間的氣流將受影響。來自百頁片67的增加之背壓將使通過風扇64a、64b之正向氣流變慢。反向風扇82a之操作將使穿過空氣導引室65之氣流63b中之一些轉向，使得小的逆流63a通過通風面69b之部分70a而出現。風扇64a及64b可以不同速度操作以促進此逆流(亦即，風扇64b比風扇64a更快地操作)。使用單獨之逆流風扇82a、82b允許使用將不反向操作且亦在變化燃料電池堆疊之不同部分中之氣流方面提供較高程度之靈活性的風扇。
在鄰近於過濾器68之入口端處，視對由過濾器68提供之氣流之阻抗而定，正向氣流63b及返回氣流63a可在正向充氣部72中混合至某一程度(如由氣流73所指示)，藉此導致空氣之重複部分再循環。可藉由調整通過過濾器之氣流阻抗來進一步控制此混合。若不需要重複再循環，則可藉由直接鄰近於風扇82a、82b定位過濾器48(亦即，消除正向充氣部72)來避免或實質上減少重複再循環。
在一般態樣中，可看出，借助於由百頁片箱66、空氣導引室65及風扇82a、82b界定之充氣部71，通風總成61提供與第一風扇64b及第二風扇64a流體連通之一可重組態充氣部，其中該可重組態充氣部具有：第一組態，在該第一組態中，空氣由第一風扇64b及第二風扇64a在相同方向上引導通過通風面69b之第一部分70b及第二部分70a；及第二組態(百頁片67至少部分地關閉，且反向風扇80a經致動)，在該第二組態中，空氣由該等風扇64b中之至少一者分別在相反方向上引導通過通風面69b之第一部分70b及第二部分70a。通風總成61亦藉由控制百頁片47角度及藉由至少反向風扇82a之風扇速度來提供在此等兩個極端位置之間的複數個中間位置。
圖1至圖8之通風總成1或20可與諸如圖9及圖10中所描繪之燃料電池堆疊組裝在一起，且以一類似方式操作(但具有一些差異)。在圖6中所描繪之第一操作模式中，通風總成1、20以完全非再循環方式使一燃料電池堆疊通風，其中該等風扇7全部在相同方向上汲取通過該燃料電池堆疊之各別部分之空氣，且空氣係經由打開之百頁片5a至5d(所有該等百頁片處於圖8之位置80a中)排出。在圖4中所展示之第二操作模式中，百頁片5係完全關閉的(處於圖8中所展示之位置80c中)，且通過堆疊之氣流可被完全阻斷。在圖5及圖7中所展示之第三操作模式中，百頁片5處於圖8中所展示之再循環位置80b中。兩個排21a、21b中之一者中的風 扇7被斷開或切換至逆流操作中，而兩個排21a、21b中之另一者中的風扇7被維持在順流操作中。百頁片5在再循環位置80b中之定位則確保來自排21a之正向氣流被引導回至排21b，且藉此以類似於關於圖8至圖10所描述之方式的方式引導返回通過堆疊。
在部分再循環組態中，百頁片5係部分地打開，亦即允許一些空氣通過百頁片5。
在一般態樣中，可看出，藉由百頁片面板2，通風總成1、20提供與第一風扇7(排21a)及第二風扇7(排21b)流體連通之一可重組態充氣部，其中該可重組態充氣部具有：第一組態(百頁片處於位置80a中)，在該第一組態中，空氣由排21a、21b中之第一風扇及第二風扇7在相同方向上引導通過燃料電池堆疊之通風面之第一部分及第二部分；及第二組態，在該第二組態中，空氣由風扇7(例如，排21a中之一或多個風扇)中之至少一者分別在相反方向上引導通過通風面之第一部分及第二部分。通風總成1、20亦藉由控制百頁片角度及風扇速度而提供在此等兩個極端位置之間的複數個中間位置。
在全部所描述具體實例中，可藉由適當選擇將部署及/或將調整之風扇7、44、64及百頁片5、47、67來切換燃料電池堆疊之將用直接環境空氣(來自系統外部，例如，如圖9中之氣流83所指示)來冷卻之部分，及將用經預熱之返回氣流來冷卻之部分。風扇及百頁片可按排(例如，排21a)來分群，其中一排或群組中之風扇全部一致地操作以在所要方向上引導氣流通過堆疊之選定部分。
百頁片5、47、67可用可更改通過界定充氣部(例如，使用擋板、可變光闌等)之合適外殼之氣流的任一其他形式之封閉裝置來替換。在一般意義上，可重組態充氣部可由任一外殼來界定，該外殼包括處於充氣部之遠離風扇之末端處的任一形式之可變閉合構件。
可使用一合適控制機構來根據燃料電池堆疊之一或多個操作參數自動地重組態系統。此等參數可包括以下各者中之任何一或多者：燃料電池堆疊或燃料電池堆疊之相關部分之操作溫度；環境空氣溫度；通過堆疊及/或通過通風總成的特定氣流之溫度；個別電池溫度；堆疊及/或環境空氣中之濕度等級；電池或堆疊電壓；電池或堆疊電流；或系統之操作時間。一或多個實體環境感測器可安置於燃料電池總成及/或通風總成之策略性位置處以監視此等參數中之任一者。較佳地，隨操作溫度或時間或該兩者來控制系統之重組態。較佳地，系統之重組態亦對堆疊之交替區段進行排序以週期性地接收直接較冷空氣及返回之較暖空氣。因此，在一般意義上，當在第二組態中操作時，系統較佳地週期性地逆轉通過通風面49之第一部分及第二部分50之氣流43的方向。亦可隨燃料電池堆疊之至少一部分之操作溫度及/或操作時間來控制此週期性逆轉。週期性逆轉可根據燃料電池堆疊之操作條件而處於固定或可變頻率。
可將風扇之該陣列或該等陣列密封至堆疊。一陣列可經定尺寸以包含沿著堆疊中之電池之平面分佈的任一適當數目個風扇及跨越堆疊中之電池之平面分佈的任一適當數目個風扇。一風扇可橫跨堆疊中之任一適當數目個電池以界定通風面49之多個部分50。風扇可按排分組以與任何特定樣式之可重組態充氣部合作。
較佳地，組態系統以使得交替風扇沿著燃料電池堆疊之平面成陣列，使得個別燃料電池各自具有對應之「暖」及「冷」區段而非具有跨越燃料電池堆疊之平面成陣列的交替風扇，使得在堆疊中存在為熱的全部電池且在堆疊中存在為冷的全部電池，此可能更加可能引起故障。
可藉由百頁片之完全封閉(例如，圖4)來實現陰極氣流之完全封閉，此可減輕安裝有燃料電池之移動載具上所致之衝壓空氣壓力。亦可使用藉由完全再循環或關閉百頁片來控制氣流以輔助系統停機。
其他具體實例有意在附加申請專利範圍之範疇內。

Claims (18)

  1. 一種燃料電池堆疊總成，其包含：一堆疊燃料電池，每一燃料電池具有一冷卻空氣導管，該冷卻空氣導管具有安置於該堆疊之一通風面上之一輸入/輸出通風孔隙，該等通風孔隙於該堆疊之該通風面上方形成一陣列；一第一風扇，其經組態以引導氣流通過該通風面之一第一部分，及一第二風扇，其經組態以引導氣流通過該通風面之一第二部分；一可重組態充氣部，其與該第一風扇及該第二風扇流體連通，該充氣部具有：一第一組態，在該第一組態中，空氣由該第一風扇及該第二風扇引導而在相同方向上通過該通風面之該第一部分及該第二部分；及一第二組態，在該第二組態中，空氣由該等風扇中之至少一者引導而分別在相反方向上通過該通風面之該第一部分及該第二部分。
  2. 如申請專利範圍第1項之燃料電池堆疊總成，其中該充氣部係隨該燃料電池堆疊之至少一部分之操作溫度及/或操作時間而自動地可重組態。
  3. 如申請專利範圍第1項之燃料電池堆疊總成，其中該可重組態充氣部包含：一第一末端，其最接近該第一風扇及該第二風扇；及一第二末端，其遠離該第一風扇及該第二風扇、可在一打開組態與一關閉組態之間切換，該打開組態有助於氣流在該第二末端處離開該充氣部且該關閉組態迫使至少一些空氣自該第一風扇返回至該第二風扇。
  4. 如申請專利範圍第3項之燃料電池堆疊總成，其中該可重組態充氣部在該打開組態與該關閉組態之間的複數個中間組態中可重組態，每一中間組態迫使不同比例之空氣自該第一風扇返回至該第二風扇。
  5. 如申請專利範圍第3項之燃料電池堆疊總成，其中該可重組態充氣 部包括在該充氣部之該第二末端處之一可變閉合構件。
  6. 如申請專利範圍第1項之燃料電池堆疊總成，其進一步包括一風扇控制器，該風扇控制器經組態以在該可重組態充氣部在該第二組態中時在相反方向上驅動該第一風扇與該第二風扇。
  7. 如申請專利範圍第1項之燃料電池堆疊總成，其進一步包括一風扇控制器，該風扇控制器經組態以在該可重組態充氣部在該第二組態中時驅動該第一風扇且使該第二風扇停機。
  8. 如申請專利範圍第1項之燃料電池堆疊總成，其進一步包括複數個該等第一風扇及複數個該等第二風扇，該等第一風扇及該等第二風扇中之每一者與一個該可重組態充氣部協作。
  9. 如申請專利範圍第8項之燃料電池堆疊總成，其中該等第一風扇及該等第二風扇係按群組配置，每一群組與一個該可重組態充氣部協作。
  10. 如申請專利範圍第1項之燃料電池堆疊總成，其中該通風面之該第一部分及該通風面之該第二部分對應於相同電池之不同部分。
  11. 如申請專利範圍第1項之燃料電池堆疊總成，其中該第一風扇與該第二風扇彼此鄰近且鄰近該通風面。
  12. 如申請專利範圍第1項之燃料電池堆疊總成，其進一步包括：一第一逆向操作風扇，其經組態以在與該第一風扇之方向相反之一方向上引導氣流通過該通風面之該第一部分；及一第二逆向操作風扇，其經組態以在與該第二風扇之方向相反之一方向上引導氣流通過該通風面之該第二部分。
  13. 如申請專利範圍第1項之燃料電池堆疊，其進一步包括一控制系統，該控制系統經調適以在該系統正在該第二組態中操作時，週期性地逆轉氣流通過該通風面之該第一部分及該第二部分之該等方向。
  14. 一種操作一氣冷式燃料電池堆疊之方法，其中該堆疊中之每一燃料 電池具有一冷卻空氣導管，該冷卻空氣導管具有安置於該堆疊之一通風面上之一輸入/輸出通風孔隙，該等通風孔隙於該堆疊之該通風面上方形成一陣列，該通風面具有一第一部分及一第二部分，該方法包含：在一第一操作模式中，使用一第一風扇及一第二風扇使該堆疊通風，該第一風扇引導空氣通過該通風面之一第一部分且該第二風扇引導空氣通過該通風面之一第二部分，通過該第一部分及該第二部分之該氣流在相同方向上；在一第二操作模式中，至少使用該第一風扇使該堆疊通風，以在一第一方向上引導空氣通過該通風面之該第一部分及在與該第一方向相反之一第二方向上引導空氣通過該通風面之該第二部分。
  15. 如申請專利範圍第14項之方法，其中，在該第二操作模式中，該堆疊係使用該第一風扇在該第一方向上引導氣流通過該通風面之該第一部分及使用該第二風扇在與該第一方向相反之該第二方向上引導該空氣通過該通風面之該第二部分來通風。
  16. 如申請專利範圍第14項之方法，其中該燃料電池堆疊通風之該操作係藉由重組態與該第一風扇及該第二風扇流體連通之一可重組態充氣部而在該第一操作模式與該第二操作模式之間切換，該可重組態充氣部具有：一第一末端，其最接近該第一風扇及該第二風扇；及一第二末端，其遠離該第一風扇及該第二風扇、可在一打開組態與一關閉組態之間切換，該打開組態有助於氣流在該第二末端處離開該充氣部，且該關閉組態迫使至少一些空氣自該第一風扇返回至該通風面之該第二部分。
  17. 如申請專利範圍第14項之方法，其進一步包括隨該燃料電池之操作溫度及/或操作時間而在該第一模式與該第二模式之間自動切換之步驟。
  18. 如申請專利範圍第14項之方法，其進一步包括當在該第二操作模式中操作時，週期性地逆轉通過該通風面之該第一部分及該第二部分之氣流 之該等方向。
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