CN101513830B - 用于燃料电池车中的驱动单元和燃料电池的优化冷却装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于燃料电池车中的驱动单元和燃料电池的优化冷却装置。公开了一种用于冷却燃料电池车中的燃料电池组和驱动单元的系统，其中该系统包括驱动单元和燃料电池组。用于驱动单元的油冷却回路包括三通阀、液一液热交换器和泵。液一液热交换器可用于将驱动单元散发的热传递到燃料电池组冷却回路中。通过不使用油-空气热交换器，整个热交换器布置空气侧的压降能够得到最小化且空气流增加。三通阀允许在需要时解耦冷却回路以抑制对燃料电池组的不利影响。

Description

用于燃料电池车中的驱动单元和燃料电池的优化冷却装置
技术领域
本发明涉及燃料电池系统，更具体地涉及用于燃料电池车中的驱动单元和燃料电池的优化冷却装置和方法。
背景技术
燃料电池已经作为用于电动车和各种其它应用的清洁、高效且对环境友好的能源提出。特别是，燃料电池已经被认为是现代车辆中所使用的传统内燃机的潜在替代品。燃料电池的一种类型公知为质子交换膜(PEM)燃料电池。单个的燃料电池能以串联方式叠在一起形成燃料电池组。燃料电池组能供应足以给车辆提供动力的电量。
氢是非常有吸引力的燃料，因为它清洁并且能够用于有效地在燃料电池中产生电。氢燃料电池是包括阳极和阴极以及在阳极和阴极之间的电解质的电化学设备。阳极接收氢气，阴极接收氧或空气。氢气在阳极中分解从而产生自由的质子和电子。质子穿过电解质到达阴极。质子在阴极中与氧和电子发生反应产生水。来自阳极的电子不能穿过电解质，并因此在被送到阴极之前被引导通过负荷而做功。
质子交换膜燃料电池(PEMFC)是流行的车用燃料电池。PEMFC大体包括固体聚合物电解质质子传导膜，例如全氟磺酸膜。阳极和阴极通常包括支撑在碳粒子上并与离聚物混合的细粒状催化粒子(通常为铂(Pt))。催化混合物沉积在膜的相对侧上。阳极催化混合物、阴极催化混合物和膜的组合限定了膜电极组件(MEA)。
通常，若干燃料电池组合在一起形成燃料电池组以产生希望的功率。对于上述提到的车用燃料电池组，所述组可包括200个或更多的燃料电池。燃料电池组接收阴极反应气体，通常为通过压缩机而被迫通过所述燃料电池组的空气流。并非所有的氧都被燃料电池组消耗，一些空气作为阴极排气输出，所述阴极排气可能包含作为燃料电池组副产物的水。燃料电池组还接收流进燃料电池组的阳极侧的阳极反应气体，例如氢。
燃料电池组包括一系列位于燃料电池组中的几个MEA之间的双极板，其中双极板和MEA位于两个端板之间。双极板包括用于燃料电池组中的相邻燃料电池的阳极侧和阴极侧。阳极气体流动通道设置在双极板的阳极侧上以允许阳极反应气体流向相应的MEA。阴极气体流动通道设置在双极板的阴极侧上以允许阴极反应气体流向相应的MEA。一个端板包括阳极气体流动通道，且另一个端板包括阴极气体流动通道。双极板和端板由导电材料例如不锈钢或导电复合材料制成。端板将由燃料电池产生的电导出燃料电池组。双极板还包括冷却流体流动通过的流动通道。
虽然与内燃机相比，由于车辆中的燃料电池组具有更高的效率，燃料电池组排出的热在总量上更少，但是与内燃机相比，燃料电池组排进冷却剂的废热(offheat)更高因为损耗进排气的热更少。通常燃料电池组冷却剂温度比内燃机冷却剂温度低，这使得对所有的车辆热交换器而言，在给定的封装(package)空间内将燃料电池组的热负荷排出到外界环境更加困难。
在燃料电池车的电驱动单元中产生需要由CRFM排出的额外热。就燃料电池组而言，在不损害冷却性能的情况下需要实现该热排出。
本发明不限于以下所述的应用，而是适于与需要冷却的其他部件(例如电力电子设备和电动机)一起使用，例如，用于电力电子设备的热交换器可安装在轮罩(wheel house)内。
发明内容
本发明克服了当前系统所遭受的燃料电池系统冷却问题。虽然本发明探讨PEMFC系统，但是这里公开的实施例可用于任何燃料电池结构。
在一个实施例中，本发明涉及用于冷却燃料电池车中的燃料电池组和驱动单元的热系统。所述系统包括驱动单元和燃料电池组。用于驱动单元的油冷却回路包括三通阀、液-液热交换器和泵。所述油绕所述回路从驱动单元通过三通阀和液-液热交换器流到泵，油在所述泵处被泵送进驱动单元。通过重新定位三通阀并使得油可沿着油流动通路从驱动单元通过泵流进驱动单元，可绕过液-液热交换器。在所示的实施例中，所述油冷却回路并不包括气-液热交换器。
用于燃料电池组的冷却剂流动通路包括相同的液-液热交换器、空气热交换器、三通阀和泵。冷却剂绕回路从燃料电池组通过液-液热交换器、通过空气热交换器流到泵，所述冷却剂在所述泵处被泵送进燃料电池组。通过重新定位三通阀并使得冷却剂可沿着冷却剂通路从燃料电池组通过液-液热交换器流动并通过泵返回燃料电池组，可绕过空气热交换器。
附图说明
对于本领域技术人员来说，从下面的详细描述并结合附图，本发明的上述和其他优点将变得显而易见。
图1示出根据现有技术的用于燃料电池车的燃料电池组和驱动单元的冷却系统；和
图2示出根据本发明实施例的用于燃料电池车的燃料电池组和驱动单元的冷却系统。
具体实施方式
[00161下面的详细说明和附图描述并示出了本发明的各种示范性实施例。这些说明和附图用于使得本领域技术人员能制造和使用本发明，而并不是用于以任何方式限制本发明的范围。关于所公开的方法，所描述的步骤本质上是示范性的，并且因此步骤的顺序不是必须的或关键的。
图1示出根据现有技术的用于燃料电池车的冷却系统10。冷却系统10包括驱动单元12和燃料电池组14。用于驱动单元12的油冷却回路16包括液-气热交换器18和泵20。如所示，油以逆时针方向绕冷却回路16从驱动单元12通过热交换器18流到泵20，在泵20处被泵送回到驱动单元12。热交换器18也称作散热器。
用于燃料电池组14的冷却剂流动通路22a、22b包括液-气热交换器24(也称作散热器)、三通阀26和泵28。如所示，三通阀26使得冷却剂可从燃料电池组14沿冷却剂流动通路22a逆时针通过泵28，在泵28处冷却剂被泵送进燃料电池组14。可选择地，如果需要更大的冷却，那么冷却剂沿冷却剂流动通路22b流动。冷却剂从燃料电池组14流动通过热交换器24和泵28，在泵28处被泵送回燃料电池组14。
用于驱动单元12的油冷却回路16将热通过热交换器18排出到外界环境。将热交换器18对准在与冷却剂流动通路22b中的热交换器24相同的空气流动通路30中。空气流动通路30由冲压空气或风扇(未示出)产生。
图2示出根据本发明实施例的冷却系统100。冷却系统100包括驱动单元102和燃料电池组104。用于驱动单元102的油冷却回路106a、106b包括三通阀108、液-液热交换器110和泵112。如示出的，油以逆时针方向绕冷却回路106a从驱动单元102通过三通阀108和热交换器110流动到泵112，在泵112处被泵送回驱动单元102。
可选择地，通过关闭三通阀108并使得油从驱动单元102沿油流动通路106b通过泵112流进驱动单元102，可绕过热交换器110。
用于燃料电池组104的冷却流动通路114a、114b包括液-液热交换器110、液-气热交换器116(散热器)、三通阀118和泵120，所述液-液体热交换器110也是驱动单元102的油流动通路106a的一部分。如示出的，三通阀118允许冷却剂从燃料电池组104逆时针通过热交换器110流到泵120，在泵120处冷却剂沿冷却流动通路114a被泵送进燃料电池组104。可选择地，如果需要更大的冷却，那么冷却剂从燃料电池组104沿冷却流动通路114b通过热交换器110和热交换器116两者流到泵120，在泵120处被泵送进燃料电池组104。空气流122由冲压空气或风扇(未示出)产生。
冷却系统100利用下述事实：在高负荷的情况下，在驱动单元冷却回路106a、106b中的油温能明显高于燃料电池组冷却回路114a、114b中的冷却剂温度。系统100容许在油和冷却剂之间进行液-液热交换。
从驱动单元冷却回路106a、106b传递到燃料电池组冷却回路114a、114b的热负荷在热交换器116处导致更高的冷却剂温度和热负荷。由于冷却剂温度与环境空气的温度之间较大的差异，在热交换器116处的较高热负荷通过较高性能的热交换器116得以补偿。冷却系统100的优点是减少了冷却系统100使用的总体积。通过去除油-空气热交换器而减少了空气热交换器116的冲压空气流122限制，因此允许更大的空气流。这进一步增加了通过散热器116将热排到外界环境的能力。
可在不同的传动状况期间应用该系统。如果驱动单元102比燃料电池组104更热，且驱动单元102和燃料电池组104两者都需要排出热，那么切换所述阀108以使得流动能通过热交换110。驱动单元的热将热加到冷却回路114b上，而且还增加了热交换器116的入口处的温度。
如果驱动单元102比燃料电池组104的出口处的冷却剂温度更低，且燃料电池组104不需要经冷却回路106a、106b排出热，那么通过切换三通阀108能使冷却回路106a、106b与冷却回路114a、114b解耦以使油绕过热交换器110。这在冷置期(cold soak)之后的燃料电池组预热期间尤其重要。
在驱动单元102比燃料电池组104温度更低且燃料电池组104需要排出额外的热时，可以将热传递到驱动单元102，从而利用驱动单元的高热容。切换阀108以使得油能流动通过驱动单元热交换器110。这至少在一定时间段内，增加了冷却回路114a的热排出而不需要额外的风扇功率。这在相当短的车辆加速模式期间是一个优点，在该车辆加速模式中，缓冲效应有助于避免燃料电池组104的温度增加到希望的设定点之上。
如果驱动单元102比燃料电池组104的冷却剂出口温度更低，且冷却剂温度必须快速降低，那么冷却回路106a、106b的热容可用于以相似方式降低温度。这有助于降低风扇的使用，从而最小化噪声水平并最大化效率。这可用于降低瞬变/车辆减速。
如果驱动单元102比燃料电池组104更热且燃料电池组104需要热，那么冷却系统100可用于将热加到冷却回路114a、114b上。这通过如为了增加冷却回路114a中的冷却剂温度所需要的一样来控制流过热交换器110的油而实现。这发生在燃料电池组104在怠速下运行时，在怠速时，燃料电池组104的对流/传导热损失导致这样的情况，其中燃料电池组104需要热以维持希望的温度。这在怠速/燃料电池组104的低功率时最小化电加热器的使用，最大化效率。
三通阀108可以是便宜的数字阀，因为驱动单元102的温度不需精确地控制。通常，对于驱动单元102来说，低于希望温度最大值的任何温度都是可以接受的。
由于冷却回路106a、106b、114a、114b的温度通常由于其他目的(功率限制等)而已经测量了，基于热交换器110特性的基于模型的方法能够在用于控制三通阀108的位置的控制器中容易地实施。
由于通过去除图1中示出的热交换器18来最小化总压降，使得气流122最大化。基于同样的原因，使冷却系统100所需的封装空间最小化。热交换器110由于不需要定位在气流122中，因此通常比热交换器18小且能更容易地被封装。此外，冷却回路114a、114b能利用驱动单元102的热容量来最大化瞬时冷却性能。
冷却系统100的总效率在如下情形中得到最大化，即，冷却回路106a、106b代替电动冷却剂加热器和风扇的使用。风扇使用的替换也最小化车辆噪声排放。
上述系统的主要目标是能够在需要时解耦冷却回路。本发明通过在油侧的旁通阀实现这个目标。可选择地，也可通过在燃料电池组冷却剂侧的第二旁通阀或其它装置来实现所述解耦。任一解耦方法都是可接受的，这取决于系统的油流：其中油流低于燃料电池组冷却剂流或通过旁通阀的大容量流均需要复杂/大型的阀设计或在回路中导致高的额外压降，从而导致泵功率消耗增加。
通过前述说明，本领域普通技术人员能容易地确定本发明的实质特点并且在不偏离本发明的精神和范围的情况下对本发明做出各种变化和改变，以使本发明适合不同的使用和条件。

Claims (16)

1.一种用于燃料电池组和驱动单元的冷却系统，所述冷却系统包括： 
燃料电池组冷却回路，其包括第一冷却流动通路，所述第一冷却流动通路包括燃料电池组、第一热交换器、第二热交换器、和第一三通阀，所述第一三通阀用于将所述第一冷却流动通路与所述第二热交换器耦合和解耦，其中所述燃料电池组冷却回路构造成通过引导空气只流经所述第二热交换器来增大所述冷却系统的空气流和所述冷却系统将热排到环境空气的能力中的至少一个；和 
油冷却回路，其包括第二冷却流动通路，所述第二冷却流动通路包括所述第一热交换器、驱动单元、和第二三通阀，所述第二三通阀选择地通过所述第一热交换器促进将所述油冷却回路热耦合到所述燃料电池组冷却回路，其中，只有所述第一热交换器是所述第一冷却流动通路和所述第二冷却流动通路的一部分。 
2.根据权利要求1所述的冷却系统，其中，所述油冷却回路通过利用所述第二三通阀使油流从所述第一热交换器换向而从所述燃料电池组冷却回路热解耦。 
3.根据权利要求1所述的冷却系统，其中，所述第二热交换器是液-气热交换器。 
4.根据权利要求3所述的冷却系统，其中，所述燃料电池组冷却回路包括仅一个液-气热交换器。 
5.根据权利要求3所述的冷却系统，其中，所述燃料电池组冷却回路包括用于选择地绕过所述液-气热交换器的旁路。 
6.根据权利要求1所述的冷却系统，其中，所述燃料电池组冷却回路还包括用于促使冷却剂流动通过所述燃料电池组冷却回路的泵。 
7.根据权利要求1所述的冷却系统，其中，所述油冷却回路包括用于选择地绕过所述第一热交换器的旁路。 
8.根据权利要求1所述的冷却系统，其中，所述第一热交换器是液-液热交换器。 
9.一种用于燃料电池组和驱动单元的冷却系统，所述冷却系统包括： 
燃料电池组冷却回路，其包括第一冷却流动通路，所述第一冷却流动通路包括燃料电池组、第一热交换器、第二热交换器、和第一三通阀，所述第一三通阀用于将所述第一冷却流动通路与所述第二热交换器耦合和解耦，其中第一热交换器是液-液热交换器，所述燃料电池组冷却回路构造成通过引导空气只流经所述第二热交换器来增大所述冷却系统的空气流和所述冷却系统将热排到环境空气的能力中的至少一个；和 
油冷却回路，其包括第二冷却流动通路，所述第二冷却流动通路包括所述液-液热交换器、驱动单元、和第二三通阀，所述第二三通阀通过使油流从所述液-液热交换器换向而选择地促进所述油冷却回路从所述燃料电池组冷却回路的热解耦，其中，只有所述液-液热交换器是所述第一冷却流动通路和所述第二冷却流动通路的一部分。 
10.根据权利要求9所述的冷却系统，其中，所述第二热交换器是液-气热交换器。 
11.根据权利要求10所述的冷却系统，其中，所述燃料电池组冷却回路包括用于选择地绕过所述液-气热交换器的旁路。 
12.根据权利要求9所述的冷却系统，其中，所述油冷却回路包括用于选择地绕过所述液-液热交换器的旁路。 
13.一种利用如上述权利要求中任一项所述的冷却系统来冷却燃料电池组和驱动单元的方法，所述方法包括以下步骤： 
在所述燃料电池组冷却回路中设置冷却剂； 
在所述油冷却回路中设置油； 
通过使油流从所述第一热交换器换向而选择地促进所述油冷却回路从所述燃料电池组冷却回路的热解耦。 
14.根据权利要求13所述的方法，还包括将所述第二热交换器设置为液-气热交换器的步骤。 
15.根据权利要求14所述的方法，还包括在所述燃料电池组冷却回路中提供用于选择地绕过所述液-气热交换器的旁路的步骤。 
16.根据权利要求13所述的方法，还包括在所述油冷却回路中提供用于选择地绕过所述第一热交换器的旁路的步骤。 
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