专利info | 丰田空冷燃料电池系统技术改进

丰田近期公开专利中，有涉及对空冷燃料电池系统相关技术进行改进，改进包括：防止空冷燃料电池系统出现过度升温、热失控等情况（专利CN115441010A、CN115441006A）；避免反应后空气循环产生结露、积水等情况，同时保障空冷燃料电池系统快速升温（专利CN115441011A）；防止空冷燃料电池隔板、冷却板层叠时对膜电极组件造成损伤（专利CN115441001A）。以下为相关专利详情。

No.1专利CN115441010A

为了防止空冷燃料电池系统热失控，丰田对空冷燃料电池系统进行了改进。专利CN115441010A空冷燃料电池系统如下图所示，包括燃料电池、空气系统、燃料气体供给系统、控制部等；空气入口上游区域设置有阀1、空气出口下游设置有阀2、燃料气体入口的上游设置有阀3、燃料气体出口下游设置有阀4；空气系统包括空气导入部，空气导入部将冷却用空气和反应用空气供给至燃料电池；冷却用空气排出流路具有气泵或风扇。

控制部通过温度监测部来获取燃料电池的温度，当燃料电池温度超过规定的阈值或者温度上升速度超过规定的升温速度阈值时，控制部进行隔断反应用空气并且不隔断冷却用空气的操作，控制部可减小阀1、阀2、阀3、阀4的开度或者使燃料电池停止发电（可将阀1、阀2、阀3、阀4闭阀），来使燃料电池电压快速回落，防止系统热失控。此外，在燃料电池停止发电时，通过使被密封的氢系统中的氢摩尔数大于反应空气系统中氧摩尔数的2倍，可消耗燃料电池内的氧，使燃料电池在富含氢的状态下进行密封，来抑制其劣化加剧。

上述燃料电池系统可独立地控制反应用空气和冷却用空气的流量以及压力，使得在高温下冷却用空气使流量增大，反应用空气使流量降低，实现单元温度合理化和湿度保持。该燃料电池系统即使反复启停，也不易发生劣化，使得燃料电池寿命延长。

No.2专利CN115441006A

由于空冷式燃料电池与水冷式燃料电池相比，空冷式燃料电池的热容量较小，空气热传递较差，当发生冷却流量降低等异常时，过度升温风险较大；而水冷式燃料电池中，水热传递效果好，燃料电池热容量较大，升温速度较慢。因此，即使发现空冷燃料电池异常，防止其过度升温十分重要。

在专利CN115441006A中，丰田通过监视不与燃料电池接触的空气的温度以及燃料电池温度之间的温度差或者升温速度差，来及时发现空冷燃料电池异常，并通过执行相应控制来防止其出现热失控。

丰田在冷却用空气入口的附近配置了第一温度取得部来获取冷却用空气的温度，通过与冷却翅片抵接的方式配置了第二温度取得部来获取燃料电池的温度。控制部通过获取第一温度取得部和第二温度取得部的温度来与相关设定阈值进行比较，当第一温度取得部与第二温度取得部的温度差大于规定的温度阈值时或者当第一温度取得部和第二温度取得部的升温速度差大于规定的升温速度阈值时，控制部可通过减小阀1、阀2、阀3、阀4的开度来使燃料电池电压降低，从而安全地停止燃料电池的发电；或者直接使燃料电池停止发电，来防止燃料电池发生热失控。

No.3专利CN115441011A

为了使空冷燃料电池系统升温至合适温度，需要利用发电时发生的热量，同时使冷却用空气循环。在现有空冷燃料电池系统中，由于部分包含液体水、水蒸气的反应后空气也在系统内循环，使得系统内可能产生结露、积水等情况，造成燃料电池性能降低以及劣化发生。

基于此，丰田在专利CN115441011A中提出了一种高效预热燃料电池的空冷燃料电池系统。其中，反应用空气排出流路直接与系统外部连接，冷却用空气可在容纳部内循环，同时控制部可以根据外部气温或者内部排出空气温度大小来控制排气口开闭部的开度，来使燃料电池快速预热。

空冷燃料电池系统如上图所示，燃料电池系统包括容纳部，容纳部内设置有燃料电池、反应气体供给系统以及冷却空气循环流路，其中排气口具有开闭部；该系统设置有外部气温传感器T1以及用以测量冷却用空气排出空气温度的温度取得部T2。

当控制部判断内部空气温度低于第1温度阈值时，控制部使开闭部开度在0-5%来使冷却用空气在容纳部内循环（循环模式），促使燃料电池升温；当内部空气温度大于第1温度阈值、小于第2温度阈值时，控制部使开闭部开度在5%-90%来使一部分冷却用空气在容纳部内循环（中间模式）；当内部空气温度在第2温度阈值以上时，控制部使开闭部开度在90%-100%来使冷却用空气从容纳部排出（一次性模式），促进热量排放。第1温度阈值和第二温度阈值可以根据燃料电池的发电状态、性能而随时变动。

控制部也可以在外部气温低于基准值的情况下，执行循环模式；在外部气温为基准值范围的情况下，执行中间模式；在外部气温高于基准值的情况下，执行一次性模式。

No.4专利CN115441001A

在空冷式燃料电池中，为了使冷却用空气流路热传递提高、压损减小，使用了较宽槽间距的流路。由于隔板层叠时对置凸部的间隔变宽，使得载荷减小的区域增多，易引发燃料电池性能降低和劣化。在与隔板分开设置冷却板而形成三片结构的情况下亦如此。

基于此，丰田在专利CN115441001A中提出通过改进隔板间流路的夹角、隔板与冷却板流路之间夹角的大小关系来减少载荷消失区域，从而改善燃料电池耐久性能。空冷燃料电池如上图所示，包括第1隔板、第2隔板、膜电极组件以及冷却板。其中，第1隔板流路与第2隔板流路的夹角θ12为15°以上，第1隔板流路与冷却板流路的夹角θ13、第2隔板流路与冷却板流路的夹角θ23在40°以上（能够减少载荷消失区域）。

通过使各槽流路在发电部的主要区域以上述角度关系交叉配置，可使反应用空气流路与燃料气体流路的交叉角度较浅，反应用空气流路、燃料气体流路与冷却用空气流路的交叉角度较深。因此，在发电区域，能够使施加于电解质膜、气体扩散层等的载荷比以往更均匀，减轻对电解质膜、气体扩散层等的损伤，提高燃料电池的耐久性能。