CN101546841A - 燃料电池车辆中用于优化执行加热任务的设备 - Google Patents

Abstract

燃料电池车辆中用于优化执行加热任务的设备，包括燃料电池堆冷却剂回路，燃料电池堆冷却剂回路具有燃料电池堆、主泵和散热器模块。旁路冷却剂回路与燃料电池堆冷却剂回路并行设置并且相连，在燃料电池堆和散热器模块之间。旁路回路包含舱热交换器和冷却剂加热器，并且具有在需要时将冷却剂泵送通过加热器的副泵。

Description

燃料电池车辆中用于优化执行加热任务的设备

技术领域

[0001]本发明涉及燃料电池系统，更具体来说，涉及燃料电池车辆中用于优化执行加热任务的设备和方法。

背景技术

[0002]燃料电池作为清洁、高效和环保可靠能源已经用于电动车辆和各种其它应用。具体来说，燃料电池已经成为现代车辆中使用的传统内燃机的潜在替代物。已知的一种燃料电池是质子交换膜(PEM)燃料电池。各个燃料电池可以串联堆叠在一起来形成燃料电池堆。燃料电池堆能够供应足够的电量来给车辆提供动力。

[0003]氢是非常引人的燃料，因为它以反应为水的清洁方式被消耗，并可以在燃料电池中用于有效发电。氢燃料电池是电化学装置，包含阳极、阴极以及其间的电解质。阳极接收氢气并且阴极接收氧气或空气。氢气在阳极上离解以产生自由质子和电子。质子通过电解质到达阴极。质子在阴极上与氧和电子反应生成水。来自阳极的电子不能通过电解质，并因此在送至阴极之前被引导通过负载来执行工作。

[0004]质子交换膜燃料电池(PEMFC)是非常普遍的用于车辆的燃料电池。PEMFC通常包含固体聚合物电解质质子传导膜，例如全氟磺酸膜。阳极和阴极通常包含细分的催化剂颗粒，通常是铂(Pt)，支撑在碳颗粒上并与离聚物混合。催化剂混合物沉积在膜的两侧上。阳极催化剂混合物、阴极催化剂混合物以及膜的组合限定膜电极组件(MEA)。

[0005]几个独立燃料电池通常组合在燃料电池堆中来产生所需动力。对于上述汽车燃料电池堆，其可以包含两百个或更多的燃料电池。燃料电池堆接收阴极反应气体，通常是利用压缩机强制通过燃料电池堆的空气流。不是所有的空气被燃料电池堆消耗，一些空气作为阴极废气输出，其可包含作为燃料电池堆副产物的水。燃料电池堆还接收阳极反应气体，例如流入燃料电池堆阳极侧的氢。

[0006]燃料电池堆包含一系列双极板，位于燃料电池堆的几个MEA之间，其中双极板和MEA位于两个端板之间。双极板包含阳极侧和阴极侧，用于燃料电池堆中相邻的燃料电池。阳极气体流道设置在双极板的阳极侧上，使阳极反应气体流至相应的MEA。阴极气体流道设置在双极板的阴极侧上，使阴极反应气体流至相应的MEA。一个端板包含阳极气体流道，另一个端板包含阴极气体流道。双极板和端板由导电材料制成，例如不锈钢或导电复合物。端板将燃料电池产生的电力导出燃料电池堆。双极板还包含冷却流体流动通过的流道。

[0007]燃料电池车辆中的高温冷却回路(HT loop)用于几个目的，包含但不限于：

1.通过供给具有特定温度和流速的冷却剂进入燃料电池堆来为燃料电池堆自身提供所需冷却剂出口/入口温度；

2.提供所需冷却剂入口温度和至舱热交换器的流；和

3.提供所需冷却剂入口温度和至电冷却剂加热器的流，其在模拟发动机制动操作过程中消散多余电能。

[0008]燃料电池堆冷却剂流和冷却剂入口温度可以取决于操作条件，例如燃料电池堆温度、燃料电池堆负载等。

[0009]如果需要舱热交换器的全面性能，例如用于风挡除霜操作，可能需要入口温度明显大于燃料电池堆冷却剂出口温度，但是所需流会比较小。然而，HVAC单元的封装空间要求通常不允许这样的舱热交换器芯设计，其可以处理所有离开燃料电池堆的冷却剂流。虽然希望利用燃料电池堆散发的热来加热舱，但是如果燃料电池堆负载很小，通常需要另外的加热器来最大化冷却剂温度。

发明内容

[0010]本发明克服了燃料电池系统加热问题，包含现有系统经受的舱热问题。虽然本发明论述了PEMFC系统，但是本发明可以用于任何燃料电池装置。

[0011]在一个实施例中，本发明涉及一种加热系统，用于优化执行燃料电池车辆中的加热任务。该系统包括燃料电池堆冷却剂回路，燃料电池堆冷却剂回路包含燃料电池堆、主泵和散热器模块(radiatormodule)。旁路冷却剂回路与燃料电池堆冷却剂回路并行设置并且相连，优选在燃料电池堆和散热器模块之间。旁路回路包含至少一个加热器和当需要时将冷却剂泵送通过加热器的副泵。旁路回路通常包含至少两个加热器：电冷却剂加热器(electrical coolant heater)和冷却剂至舱空气热交换器(coolant to cabin air heat exchanger)。

附图说明

[0012]通过以下详细说明并结合附图，本发明的上述以及其它优点对于本领域技术人员会变得显而易见。

[0013]图1示出了已知燃料电池车辆热系统的示意流程图；

[0014]图2示出了根据本发明实施例的燃料电池车辆热系统的示意流程图。

具体实施方式

[0015]以下详细说明和附图描述和示出了本发明的各种示例性实施例。说明书和附图用于使本领域技术人员能够实施和使用本发明，并非意在以任何方式限制本发明的范围。对于公开的方法而言，列出的步骤是示例性的，因此步骤的顺序不是必要或者关键的。

[0016]图1示出了根据现有技术的加热系统10。加热系统10与燃料电池堆(FCS)12连通。冷却剂流动路径14包含三个并行(并联)流动路径部分14a、14b、14c。冷却剂流动路径14还包含三通阀26以控制流动通过路径部分14b、14c和泵28的冷却剂流量比。第一电加热器(CoH2)16设置在FCS12下游的冷却剂流动路径14中，以消散多余电能并在设备的低温适应(cold soak)后加热FCS。所产生的多余能量消散热可以沿冷却剂路径部分14c导向散热器模块18。第二电加热器(CoH1)20与舱热交换器(CH)22一起并行于散热器模块18设置在冷却剂流动路径部分14a中，并维持所需舱热交换器入口温度。为了提供最大冷却剂流通过散热器模块18，即全散热器性能，在不需要舱加热的炎热周围环境下，关闭阀24加入流动路径部分14a。

[0017]影响冷却剂流动路径14和舱热交换器22之间的流量比的冷却剂流动路径14内的压力降被选择成，在全燃料电池堆流量下(at fullstack flow)不超过舱热交换器22的能力。没有流动通过冷却剂流动路径部分14a和舱热交换器22的所有冷却剂流通过散热器模块18而造成较高压降的情况下，会出现全燃料电池堆流量。

[0018]但是，压力降和流量比需要允许在低燃料电池堆冷却剂流下冷却剂流动路径部分14a内足够的冷却剂流。为了确保上述情况，在阀26将一些或所有流引导通过旁路路径部分14b的情况下，流量限制装置30替代地设置在冷却剂流动路径部分14b中。

[0019]图2示出了根据本发明实施例的加热系统100。加热系统100适于优化燃料电池车辆中的加热任务。加热系统100包含燃料电池堆(FCS)102。燃料电池堆冷却剂回路104具有并行于冷却剂流动路径部分104b的流动路径部分104a，并与燃料电池堆102连通。冷却剂流动路径部分104b包含副泵106、冷却剂加热器108和舱热交换器110。

[0020]另外，冷却剂流动路径部分104c、104d设置在冷却剂流动路径104中。三通阀114控制通过冷却剂流动路径部分104c、104d的冷却剂流。类似于加热系统10，冷却剂中的热可以通过冷却剂流动路径部分104d导向散热器模块112。

[0021]包含舱热交换器110和冷却剂加热器108的冷却剂流动路径部分104b提供与燃料电池堆102和散热器模块112之间的流动路径部分104a并行的流，以及提供与冷却剂流动路径部分104c、104d串联的流。冷却剂流动路径部分104b在此还称作旁路冷却剂回路。冷却剂流动路径部分104b和冷却剂流动路径部分104a之间的分流(flow split)由位于冷却剂流动路径部分104b中的副泵106决定。舱热交换器110和副泵106尺寸设计成，符合车辆客舱加热要求，以及模拟发动机制动相关要求，即流动路径部分104b中的冷却剂不会局部沸腾(localboiling)。

[0022]在舱加热操作过程中，冷却剂流动路径部分104b仅需要有限的流(即至副泵106的低动力)，以在舱热交换器入口处使用低冷却剂加热器动力达到高冷却剂温度。

[0023]在模拟发动机制动操作(emulated engine brakingoperation)过程中，需要较高的流(即至副泵106的高动力)来确保冷却剂加热器108接受高动力而没有局部冷却剂沸腾。另外，由于冷却剂加热器108用于消散多余的电能，在较高的流要求过程中，副泵106的额外动力消耗减轻了消散给冷却剂加热器108的多余能量。因此，产生动力的燃料电池系统102的燃料消耗不受副泵的额外动力需求影响。

[0024]利用加热系统100，冷却剂流动路径部分104b中的冷却剂流独立于总冷却剂流，并且关于压力降的加热系统100的设计复杂性被最小化。至冷却剂流动路径部分104b的冷却剂流在车辆操作过程中可以独立地选择，并且如果需要，可以高于燃料电池堆102中的冷却剂流的速率来提供。如果需要提供至冷却剂流动路径部分104b的冷却剂流，而不是至燃料电池堆的冷却剂流，那么在冷却剂流动路径部分104a中沿流动方向会产生回流。

[0025]加热系统100提供的至舱热交换器110的流的可控性比仅通过关闭阀24控制流的加热系统10得到改善。在加热系统10中，至舱热交换器110的流仅可以相比压力降给定的值而减小，但不增大或甚至大于燃料电池堆冷却剂流。

[0026]本发明的加热系统100通过减小冷却剂加热器108的负载，允许使用燃料电池堆散发的热量来加热客舱，同时允许全部燃料电池堆流导向散热器模块112而无需用于冷却剂流动路径部分104b的关闭阀。

[0027]副泵106替代关闭阀24。可以消除一个电加热器，因为仅加热系统100剩下的加热器就可以满足必需的操作要求。

[0028]由于副泵106，可以消除流量限制装置118。其还方便了流动路径部分104c、104d之间的阀114控制的流分布，但不需要保障通过流动路径部分104b的流。

[0029]通过上述说明，本领域技术人员可以方便地确定本发明的基本特征，并且在不脱离其精神和范围的情况下，可以对本发明进行各种改变和变型，使其适合各种用途和条件。

Claims (20)

1.一种加热系统，用于优化燃料电池车辆中的加热，包括：

燃料电池堆冷却剂回路，包含燃料电池堆、主泵和散热器模块；以及

旁路冷却剂回路，包含至少一个加热器并且与所述燃料电池堆冷却剂回路的至少一部分并联。

2.权利要求1的加热系统，所述旁路回路还包括至少两个加热器。

3.权利要求2的加热系统，所述旁路回路还包括副泵。

4.权利要求1的加热系统，其中所述至少一个加热器为冷却剂加热器。

5.权利要求1的加热系统，其中所述至少一个加热器为舱热交换器。

6.一种加热系统，用于优化燃料电池车辆中的加热，包括：

燃料电池堆冷却剂回路，包含燃料电池堆、主泵和散热器模块；以及

旁路冷却剂回路，包含至少一个加热器和副泵，其中所述旁路冷却剂回路在所述燃料电池堆和所述散热器模块之间与所述燃料电池堆冷却剂回路的一部分并联设置。

7.权利要求6的加热系统，还包括设置在所述燃料电池堆冷却剂回路中的流量限制装置。

8.权利要求6的加热系统，还包括设置在所述旁路冷却剂回路中的第二加热器。

9.权利要求6的加热系统，其中所述至少一个加热器为舱热交换器。

10.权利要求6的加热系统，其中所述至少一个加热器为冷却剂加热器。

11.权利要求6的加热系统，其中所述旁路回路还包括至少两个加热器。

12.权利要求11的加热系统，其中所述至少两个加热器是舱热交换器和冷却剂加热器。

13.一种用于优化执行燃料电池车辆中的加热任务的方法，该方法包括步骤：

提供包含燃料电池堆和散热器模块的燃料电池堆冷却剂回路；

提供与所述燃料电池堆冷却剂回路流体连通的旁路冷却剂回路以及

在所述燃料电池堆和所述散热器模块之间将所述旁路冷却剂回路与所述燃料电池堆冷却剂回路的一部分并联。

14.权利要求13的方法，其中所述旁路冷却剂回路还包括至少一个加热器。

15.权利要求14的方法，其中所述燃料电池堆冷却剂回路还包括主泵。

16.权利要求15的方法，其中所述旁路冷却剂回路还包括副泵。

17.权利要求16的方法，还包括步骤：使用所述副泵将冷却剂泵送通过所述旁路冷却剂回路来激活所述至少一个加热器。

18.权利要求16的方法，其中所述旁路冷却剂回路包含至少两个加热器。

19.权利要求18的方法，还包括步骤：使用所述副泵将冷却剂泵送通过所述旁路冷却剂回路来激活所述至少两个加热器。

20.权利要求18的方法，其中所述至少两个加热器是舱热交换器和冷却剂加热器。