CN101651225B - 燃料电池堆内部的电子器件和电分配装置的集成 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及燃料电池堆内部的电子器件和电分配装置的集成。一种燃料电池系统，包括用于全部燃料电池堆和其它燃料电池堆重要电子器件和部件(例如功率分配部件、电压监测和检测部件、电绝缘部件等)的单个外壳。所述单个外壳提供多个益处，例如降低重量，降低维护复杂性和增加安全性。

Description

燃料电池堆内部的电子器件和电分配装置的集成
技术领域
本发明总体上涉及用于燃料电池堆的外壳，且更具体地涉及用于燃料电池堆的电绝缘外壳，其中外壳也包括与燃料电池堆操作有关的各种和多个电气部件和电子器件。
背景技术
氢是非常有吸引力的燃料，因为氢是清洁的且能够用于在燃料电池中有效地产生电力。氢燃料电池是电化学装置，包括阳极和阴极，电解质在阳极和阴极之间。阳极接收氢气且阴极接收氧或空气。氢气在阳极中分解以产生自由氢质子和电子。氢质子穿过电解质到达阴极。氢质子与阴极中的氧和电子反应产生水。来自于阳极的电子不能穿过电解质，且因而被引导通过负载，以在输送至阴极之前做功。
质子交换膜燃料电池(PEMFC)是车辆的普遍燃料电池。PEMFC通常包括固体聚合物电解质质子传导膜，如全氟磺酸膜。阳极和阴极通常包括细分的催化剂颗粒，通常是铂(Pt)，所述催化剂颗粒支承在碳颗粒上且与离聚物混合。催化剂混合物沉积在膜的相对侧上。阳极催化剂混合物、阴极催化剂混合物和膜的组合限定了膜电极组件(MEA)。MEA的制造相对昂贵且需要某些条件以有效操作。
多个燃料电池通常组合成燃料电池堆以产生期望功率。例如，车辆的典型燃料电池堆可以具有两百或更多堆叠的燃料电池。燃料电池堆接收阴极输入气体，通常是由压缩机强制通过燃料电池堆的空气流。不是所有的氧都由燃料电池堆消耗，且一些空气作为阴极废气输出，所述阴极废气可以包括作为燃料电池堆的副产物的水。燃料电池堆也接收流入燃料电池堆的阳极侧的阳极氢输入气体。
燃料电池堆包括位于燃料电池堆中多个MEA之间的一系列双极板，其中，双极板和MEA设置在两个端板之间。双极板包括用于燃料电池堆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，且允许阳极反应气体流向相应MEA。阴极气体流动通道设置在双极板的阴极侧上，且允许阴极反应气体流向相应MEA。一个端板包括阳极气体流动通道，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制成，如不锈钢或导电复合物。端板将燃料电池产生的电传导到燃料电池堆之外。双极板也包括冷却流体流经的流动通道。
在一种已知的燃料电池系统设计中，燃料电池堆安装在外壳中，且电母线连接到燃料电池堆并且连接于安装到外壳的连接器。燃料电池系统包括多个电子器件和电子模块，如高压断开电子器件、燃料电池电压监测单元、传感器、检测器等，他们都是燃料电池堆电路的部分。通常，这些电气装置和部件安装在与燃料电池堆外壳独立的外壳中，且通过高压母线电连接到燃料电池堆。该配置在燃料电池系统设计中具有多个缺陷，包括在必要的期限内从燃料电池堆驱散能量以允许维护人员接近外壳所需要的复杂性和在应急人员等与外壳接触的事故的情况下的驱散期限。
发明内容
根据本发明的教导，公开了一种燃料电池系统，包括用于全部燃料电池堆和各种燃料电池堆重要回路、电子器件和部件(例如功率分配部件、电压监测和检测部件、电绝缘部件等)的单个外壳。用于燃料电池堆电路的单个外壳提供多个益处，例如在不用复杂、昂贵或笨重的设备的情况下降低重量，降低复杂性和增加燃料电池堆维护的能力和安全性。
本发明的附加特征将从以下说明和所附权利要求书结合附图显而易见。
附图说明
图1是根据本发明的一个实施例在单个外壳内的分离式燃料电池堆和燃料电池堆电路和电子器件的示意图。
具体实施方式
涉及用于燃料电池堆和高压燃料电池堆电子器件的燃料电池堆外壳的本发明实施例的以下阐述本质上仅仅是示例性的且不旨在以任何方式限制本发明或其应用或使用。
本发明提出了将电子器件和电气部件集成在燃料电池系统的燃料电池堆外壳内。如上文讨论的那样，已知的燃料电池系统通常对燃料电池堆和燃料电池堆操作所需要的电气部件采用独立的高压外壳。本发明将独立外壳中的元件集成到单个外壳中，这相对于提供多个外壳降低了系统的空间需求且具有多个其它益处。各种电气部件和装置包括燃料电池堆重要电子器件、电路板和功率分配部件，如高压监测单元、电绝缘部件、高压互锁环路(HVIL)、电压检测器、电流检测器等。
燃料电池堆电路和部件以及燃料电池堆在单个外壳中的这种配置提供了多个其它益处，包括：降低燃料电池堆高压接口复杂性，通过封闭具有存储能量的所有部件来改进可维护性，在预期系统维护时不需要将存储的燃料电池堆能量快速放出，和通过制造灵活的燃料电池堆系统接口来降低设计重复时间，从而改进吸收燃料电池堆设计的变化的能力。维护能力的改进也通过使得燃料电池堆电压与外部燃料电池堆连接件绝缘来提供。
此外，当前安装到燃料电池堆外壳的侧部的电子器件(例如，电池电压监测单元、高频电阻测量电路和端部电池加热器驱动器)能够集成到与外壳内的测量和接触器控制系统相同的电路板中。这降低了电子器件的总体积，潜在地使得电子器件移动到更好的外壳环境中，并简化接口，从而降低设计复杂性和故障模式的数量。附加改进和益处可以导致在燃料电池堆和燃料电池堆外壳内的其它部件之间共用冷却剂，从而降低热接口的数量。
图1是燃料电池系统10的示意图，包括单个燃料电池堆外壳12，外壳12封闭燃料电池堆和其它重要燃料电池堆电子器件，如上文所述。外壳12内的部件的具体配置(如下文所述)仅仅是代表性的和示例性的，因为外壳12内的电气和其它部件的配置能够是在本发明范围内的任何合适配置。在该非限制性设计中，燃料电池堆是实际上分离的子堆14和16，但是任何数量的燃料电池堆能够设置在外壳12内。
外壳12内的电气部件包括但不限于至少一个或更多印刷电路板(PCB)18，在印刷电路板18上能够设置各种固态电气装置，例如电池电压监测单元、高频电阻测量电路和端部电池加热器驱动器。PCB 18能够操作为控制器电路板且能够进行各种燃料电池堆操作(如电压和电流测量)，致动接触器并与系统的其余部分通信。设置在外壳12中的部件和外部高压部件之间的电连接能够用缆线获得，缆线允许很大的灵活性且将接口一侧的设计与源于接口相对侧上的变化分离。从燃料电池堆功率接口到外壳12内的部件的连接能够在燃料电池堆构造期间用直接连接件获得，如螺栓，从而允许燃料电池堆尺寸的更大公差。
电气部件也包括用于监测车辆接地线和电连接到燃料电池堆14和16的正母线24之间的高压绝缘的电阻测量电路22和用于监测车辆接地线和电连接到燃料电池堆14和16的负母线28之间的高压绝缘的电阻测量电路26。电气部件也包括用于测量外壳12内不同位置处的电压的多个电压计量器30和用于测量通过燃料电池堆14和16的电流的电流计量器32。由PCB 18上的电路控制的开关34将燃料电池堆14和16从正母线24断开，由PCB 18上的电路控制的开关36将燃料电池堆14和16从负母线断开。
所述部件也包括高压互锁环路40，高压互锁环路40围绕外壳12延伸且连接到盖开关42。多个接口44延伸到外壳12之外且连接到车辆中的各种高压部件，如电牵引系统(ETS)、空气压缩机功率变换器模块(CPIM)等。在该实施例中，接口44能够是柔性缆线，允许灵活性且将接口一侧的设计与接口另一侧上的变化分离。
所述部件也包括通用目的控制器输入或输出，用于位于外壳12之外的测量传感器或控制致动器。
如上文所述，现有技术燃料电池系统通常采用用于各种燃料电池堆支持电路的独立的箱，所述燃料电池堆支持电路可以在系统生产期间安装到燃料电池堆外壳。考虑到互连件(所述互连件是环境紧密的，安全的且能够处理)，这种技术需要较大的包装体积和成本，且不允许技术人员容易地加进快速发展的燃料电池堆技术或允许燃料电池堆尺寸的大的公差和偏差(这在现有技术燃料电池堆结构中是通常出现的)。本发明减小包装体积且通过调节燃料电池堆尺寸或功率水平的变化而改进燃料电池堆设计灵活性，而不会根据设计而影响燃料电池堆子系统的其它部件和轻便性。与独立的另外加上去的箱相比，这通过将关键功能(如测量、接触器和高压分配)设置在燃料电池堆外壳12内实现。
前述说明仅仅公开和描述本发明的示例性实施例。本领域技术人员从这种说明和附图以及权利要求书将容易认识到，能够对本发明进行各种变化、修改和变型，而不偏离由所附权利要求书限定的本发明的精神和范围。

Claims (20)

1.一种用于容纳和封闭燃料电池系统中的电气部件的外壳，所述外壳包括：
安装且封闭在所述外壳中的至少一个燃料电池堆；和
与所述至少一个燃料电池堆有关并安装且封闭在所述外壳中的多个电气部件，所述多个电气部件包括功率分配部件和电池电压监测部件。
2.根据权利要求1所述的外壳，其中，至少一个燃料电池堆是分离的子堆。
3.根据权利要求1所述的外壳，其中，所述多个电气部件包括控制器电路板。
4.根据权利要求1所述的外壳，其中，所述多个电气部件包括用于测量所述外壳内的电路中不同位置处的电压的多个电压计量器。
5.根据权利要求1所述的外壳，其中，所述多个电气部件包括通用目的控制器输入或输出，用于位于所述外壳之外的测量传感器或控制致动器。
6.根据权利要求1所述的外壳，其中，所述多个电气部件包括高压互锁环路。
7.根据权利要求1所述的外壳，其中，所述多个电气部件包括至少一个电阻测量电路，用于提供高压绝缘水平检测。
8.根据权利要求1所述的外壳，其中，从所述燃料电池堆外壳到其它电路的接口由缆线提供。
9.一种燃料电池系统，包括：
燃料电池堆外壳；
安装且封闭在所述燃料电池堆外壳中的至少一个燃料电池堆；和
与所述至少一个燃料电池堆有关并安装且封闭在所述燃料电池堆外壳中的多个电气部件，所述多个电气部件包括控制器电路板，所述控制器电路板控制所述燃料电池堆外壳中的电气部件的操作。
10.根据权利要求9所述的系统，其中，所述至少一个燃料电池堆是分离的子堆。
11.根据权利要求9所述的系统，其中，所述多个电气部件包括功率分配部件和电池电压监测部件。
12.根据权利要求9所述的系统，其中，所述多个电气部件包括用于测量所述外壳内的电路中不同位置处的电压的多个电压计量器。
13.根据权利要求9所述的系统，其中，所述多个电气部件包括通用目的控制器输入或输出，用于位于所述燃料电池堆外壳之外的测量传感器或控制致动器。
14.根据权利要求9所述的系统，其中，所述多个电气部件包括高压互锁环路。
15.根据权利要求9所述的系统，其中，所述多个电气部件包括至少一个电阻测量电路，用于提供高压绝缘检测。
16.根据权利要求9所述的系统，其中，从所述燃料电池堆外壳到其它电路的接口由缆线提供。
17.一种燃料电池系统，包括：
燃料电池堆外壳；
安装且封闭在所述燃料电池堆外壳中的至少一个燃料电池堆；和
与所述至少一个燃料电池堆有关并安装且封闭在所述燃料电池堆外壳中的多个电气部件，所述多个电气部件包括控制器电路板、功率分配部件、电池电压监测部件、用于测量所述外壳内的电路中不同位置处的电压的多个电压计量器和用于提供高压绝缘检测的至少一个电阻测量电路，所述控制器电路板控制所述燃料电池堆外壳中的电气部件的操作。
18.根据权利要求17所述的系统，其中，从所述燃料电池堆外壳到其它电路的接口由缆线提供。
19.根据权利要求17所述的系统，其中，所述多个电气部件包括通用目的控制器输入或输出，用于位于所述燃料电池堆外壳之外的测量传感器或控制致动器。
20.根据权利要求17所述的系统，其中，所述多个电气部件包括高压互锁环路。
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