CN102958730A - 空冷式燃料电池车辆 - Google Patents

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Abstract

本发明改善了空冷式燃料电池车辆中空冷式燃料电池堆和用于冷却电设备的散热器的冷却性能。空冷式燃料电池堆(12)包括：分别在车辆宽度方向(Y)上的两侧部的进气口(27L，27R)；以及在车辆宽度方向(Y)上的中部的排气口(28L，28R)和排气管(29)，排气管(29)配置为把从排气口(28L，28R)流出的空气排放到车辆后侧。向车辆前部延伸的进气管(32L，32R)分别连接到进气口(27L，27R)。进气管(32L，32R)的进气端口(33L，33R)分别开在散热器(26)在车辆宽度方向(Y)上的两侧部且比散热器(26)位置更靠近车辆前部。

Description

空冷式燃料电池车辆
技术领域
本发明涉及空冷式燃料电池车辆。具体来说，本发明涉及其中布置有散热器和空冷式燃料电池堆的空冷式燃料电池车辆。
背景技术
使用低压鼓风机风扇并且将同一空气用于反应和冷却的空冷式燃料电池车辆要求空冷式燃料电池堆具有大的进气和排气部，以减小泵气损耗并且提供足够的空气。
作为电动车辆，空冷式燃料电池车辆需要散热器发散大约60℃至70℃的热，以冷却诸如电动机等电部件。然而，在以相对低的温度驱动的空冷式燃料电池车辆中，由设置在由车体面板包围的车辆前部空间中的散热器加热的空气不能提供温度差，从而冷却效果显著下降，并且该空气不能被用作提供给燃料电池堆的空气。因此，必须提供比内燃机车辆的隔热结构更好的隔热结构。
现有技术文献
专利文献
[专利文献1]日本特开2005-216783号公报
根据专利文献1的操作安装在车辆中的燃料电池堆的方法包括以下步骤：测量发电电池的温度；并且当测得的温度等于或低于该发电电池的预设标准操作温度时，进行控制，使得冷却空气不被配气机构分配给该发电电池。
发明内容
发明要解决的问题
此外，对于内燃机车辆，传统上，与用于燃烧和用于冷却的进气部和诸如散热器或空调(A/C)电容器等热交换器的相对布局有关的技术有很多。然而，还没有发现用于空冷式燃料电池车辆的对应技术。
如图6中所示，在水冷式燃料电池车辆的水冷式燃料电池系统101中，总体上，压缩并存储在高压氢罐102中的氢气经由减压阀103引入到水冷式燃料电池堆104的阳极进气部中，而通过过滤器105吸入的空气被压缩机106压缩，然后被引入到水冷式燃料电池堆104的阴极进气部中。从而水冷式燃料电池堆104产生电力。从水冷式燃料电池堆104的阴极排气部排出的阴极废气，在该废气中的水分被蒸汽分离器107部分地分离之后，经由用于控制该阴极系统的压力的背压阀108而排放到外部空气。此外，从水冷式燃料电池堆104排出的阳极废气也类似地经过蒸汽分离器109，并且阳极废气通过清洗阀110混入到阴极废气中。从阳极排出的清洗后的氢的流量充分小于从阴极废气排出的量。因此，来自阳极的清洗后的氢能够与阴极废气以不大于4％(即最低可燃浓度)的量排放到外部空气。同时，为了提高氢的利用，通过使用氢泵111将阳极废气再循环到水冷式燃料电池堆104的阳极进气部。
接下来描述水冷式燃料电池系统101的冷却系统112。
冷却系统112的冷却回路包括水泵113，其被配置为利用压力输送冷却水，并且被设置在水冷式燃料电池堆104之前或之后。已经冷却了水冷式燃料电池堆104的冷却水与散热器114中的大气进行热交换，然后该冷却水再次回到水冷式燃料电池堆104。此外，该冷却回路包括加热器芯116，其被配置为加热车厢并且被设置为平行于散热器114，调节阀115位于这二者之间。当需要加热时，调节阀115打开，从而向加热器芯116提供高温冷却水，并且用于吹风的鼓风机风扇117被驱动以用于加热。然而，来自水冷式燃料电池堆104的废热的量显著小于内燃机的废热的量。因此，通常另外结合使用另一热源，如电加热器。
如上所述，水冷式燃料电池系统101包括大量的附件，如用于压缩引入的空气以提高水冷式燃料电池堆104的功率密度的压缩机106。这导致该系统由于复杂、庞大、笨重以及高成本而不方便。
与之相比，在使用空气作为反应气体并且作为冷却介质的空冷式燃料电池系统中，燃料电池堆可以用空气来冷却，并且该空气可通过使用低压鼓风机风扇提供给燃料电池堆。因此，与水冷式燃料电池系统相比，该系统可以被简化。然而，由于用于冷却电设备等的散热器设置在车辆前部，所以必须考虑使得已经通过冷却这样的散热器而增加温度的空气不被吸取到进气管中。
因此，本发明的目的是提供一种空冷式燃料电池车辆，其改善了空冷式燃料电池堆和用于冷却电设备的散热器的冷却性能。
用于解决问题的方案
本发明提供一种空冷式燃料电池车辆，包括：散热器，其设置在车辆前部的空间中，所述车辆前部的空间由构成该空间的车体面板从该空间的上部和车辆宽度方向上的两侧部包围，所述散热器被配置为冷却电设备；以及空冷式燃料电池堆，其设置在所述散热器的后方，并且被配置为使用空气作为反应气体并且作为冷却介质；其中所述空冷式燃料电池堆包括：分别在所述空冷式燃料电池堆的在车辆宽度方向上的两侧部的进气口；以及在所述空冷式燃料电池堆的在车辆宽度方向上的中部的排气口和排气管；其中所述排气管被配置为将从所述排气口流出的空气排放到所述车辆的后侧部；其中向所述车辆的前部延伸的进气管分别连接到所述进气口；并且其中所述进气管的进气端口分别开在所述散热器的在车辆宽度方向上的两侧部且比所述散热器位置更靠近所述车辆前部。
发明效果
本发明的空冷式燃料电池车辆能够改善空冷式燃料电池堆和用于冷却电设备的散热器的冷却性能。
附图说明
图1是车辆前部的平面图。(实施例)
图2是车辆前部的左视图。(实施例)
图3是空冷式燃料电池堆的前视图。(实施例)
图4是该空冷式燃料电池堆的电池的截面图。(实施例)
图5是空冷式燃料电池系统的结构图。(实施例)
图6是水冷式燃料电池系统的结构图。(现有例)
具体实施方式
本发明通过消除诸如压缩机等的附件以尽可能简化系统，实现了改善空冷式燃料电池堆和用于冷却电设备的散热器的冷却性能的目的。
实施例
图1至图5示出本发明的实施例。
在图1和图2中，附图标记“1”表示空冷式燃料电池车辆；附图标记“2”表示车体面板(前罩)；附图标记“3”表示仪表板；附图标记“4L”表示左前轮；附图标记“4R”表示右前轮；附图标记“5L”表示左挡泥板；附图标记“5R”表示右挡泥板；附图标记“6L”表示左侧面板；附图标记“6R”表示右侧面板；附图标记“7”表示前横梁。车辆前部来形成空间8由车体面板2通过从上方和与车辆纵向方向X垂直的在车辆宽度方向(车辆横向方向)Y上的两侧包围。
空冷式燃料电池车辆1包括安装在上述空间8中的空冷式燃料电池系统9。
如图5中所示，在空冷式燃料电池系统9中，压缩并存储在高压氢罐10中的氢气压力被减压阀11减小之后，该氢气被引入到空冷式燃料电池堆12的阳极进气部中。通常，空冷式燃料电池系统9在用于将空气提供给阴极进气部的通道中没有用于以高压进行压缩的压缩机，但是使用低压鼓风机风扇14将通过过滤器13吸入的空气提供给空冷式燃料电池堆12。提供给空冷式燃料电池堆12的空气不仅在空冷式燃料电池堆12中用于发电反应，而且还通过从空冷式燃料电池堆12去除废热而起到冷却空冷式燃料电池堆12的作用。来自空冷式燃料电池堆12的阳极废气经由清洗阀15放出并且与来自空冷式燃料电池堆12的阴极废气混合。当在阳极侧进行清洗时，废气氢气被阴极侧废气稀释到最低可燃浓度或更低，并且被排到外部。
在空冷式燃料电池系统9中，发生电化学反应，并且伴随该反应产生水。空冷式燃料电池堆12正常包括大数目的彼此堆叠的称为电池的最小构成单元。
如图4中所示，在正常的聚合物电解质类型的空冷式燃料电池堆12中的每个电池16中，分别提供氢和空气(氧)的阳极电极17和阴极电极18通过电流线19相互连接。电负载20位于电流线19的中部。此外，在阳极电极17和阴极电极18之间设置有：阳极侧扩散层21和阴极侧扩散层22；用于反应活动的阳极侧催化剂层23和阴极侧催化剂层24；以及在中间位置处的氢离子选择性透过的电解质膜25。
因此，提供给阳极电极17的氢分子(H)在阳极电极17的位于电解质膜25的表面上的阳极侧催化剂层23中变成活性氢原子，然后变成发射电子的氢离子(H+)。
由图4中的“1”表示的该反应由下面的公式(1)来表达。
H2-->2H++2e- …(1)
根据公式(1)产生的氢离子(H+)在电解质膜25中与电解质膜25中的水一起从阳极电极17侧移动到阴极电极18侧。电子(e-)经由外部电路移动到阴极电极18。另一方面，提供给阴极电极18的空气中的氧分子(O)在阴极侧催化剂层24中接收从外部电路提供的电子(e-)，从而变成氧离子，这些氧离子与穿过电解质膜25到来的氢离子(H-)结合，形成水(H2O)。
由图4中的“2”表示的该反应由下面的公式(2)来表达。
1/2x O2+2H++2e--->H2O …(2)
根据公式(2)产生的一部分水(H2O)由于浓度扩散而从阴极电极18移动到阳极电极17。
在上述化学反应中，在空冷式燃料电池堆12内发生各种损耗，例如，由电解质膜25和电极的电阻导致的阻抗过电位；由氢和氧引起的电化学反应导致的活性过电位；以及由氢和氧在阳极侧扩散层21和阴极侧扩散层22中的移动导致的扩散过电位。因此，由于这些损耗而产生的废热需要被冷却。
空冷式燃料电池系统9不需要专门的热交换器来冷却空冷式燃料电池堆12。然而，作为电动车辆，冷却诸如电动机等的电部件需要后文描述的散热器26，散热器26发散60℃至70℃的热。
在空冷式燃料电池堆12安装在车辆前部的空间8中的空冷式燃料电池车辆1中，应当避免空冷式燃料电池堆12吸收来自散热器26的废热。
因此，在本实施例中，在空冷式燃料电池堆12安装在空间8中的空冷式燃料电池车辆1具有如下布局：空冷式燃料电池堆12的进气部设置在散热器26的左右，从而避免将来自散热器26的废热发送到空冷式燃料电池堆12的进气部。也就是说，由于提供给空冷式燃料电池堆12的空气不仅被用于发电反应，而且还被用于冷却空冷式燃料电池堆12，因此该布局被设计为不吸取来自散热器26的被加热的空气。
下面详细描述诸如空冷式燃料电池堆12等的部件在车辆前部的布局。
如图1和图2中所示，被配置为冷却电设备的散热器26被设置在由车体面板2形成的空间8中。散热器26以在车辆宽度方向Y上延伸的方式设置在车辆前部的前侧的车辆宽度方向Y上的中部。使用空气作为反应气体并且作为冷却介质的空冷式燃料电池堆12设置在散热器26后方。
空冷式燃料电池堆12包括左燃料电池堆12L和右燃料电池堆12R，它们分别位于车辆宽度方向Y上的中部的两侧部。
左燃料电池堆12L和右燃料电池堆12R分别包括：左进气口27L和右进气口27R，作为在车辆宽度方向Y上两侧部的进气口；以及左排气口28L和右排气口28R，在车辆宽度方向Y上的中部。此外，作为低压鼓风机风扇14的左鼓风机风扇14L和右鼓风机风扇14R分别设置在左排气口28L和右排气口28R的在车辆宽度方向Y上更靠近中部的侧部。
左燃料电池堆12L和右燃料电池堆12R在车辆宽度方向Y上的中部设置有排气管29。排气管29沿着左鼓风机风扇14L和右鼓风机风扇14R的内壁延伸，使得从左排气口28L和右排气口28R流出的空气可以被排放到车辆后侧。在前视图中，排气管29设置在空冷式燃料电池堆12的大致中部。排气管29形成排气通道30，并且从空冷式燃料电池堆12的后端以预定的长度向后突出。
左空气导板31L和右空气导板31R分别设置在左燃料电池堆12L和右燃料电池堆12R的车辆前侧。左空气导板31L和右空气导板31R以平滑地将废气从散热器26引导到在车辆宽度方向Y的中部的排气管29的方式倾斜。
向车辆前方延伸的左进气管32L和右进气管32R分别连接到左进气口27L和右进气口27R。
左进气管32L和右进气管32R分别具有左进气端口33L和右进气端口33R，它们开在散热器26在车辆宽度方向Y上的两侧，比散热器26位置更靠近车辆前部。
作为电设备的电动机34设置在左燃料电池堆12L和右燃料电池堆12R的后方并且在排气管29的下方。
如上所述的布局使得可以从左燃料电池堆12L和右燃料电池堆12R在车辆宽度方向Y的两侧的左进气口27L和右进气口27R进入空气，并且可以将已经冷却了左燃料电池堆12L和右燃料电池堆12R的所有空气立刻从左燃料电池堆12L和右燃料电池堆12R在车辆宽度方向Y上的中部处的左排气口28L和右排气口28R排放到车辆后侧。因此，可以提供如下结构：其中经过散热器26在车辆宽度方向Y的两侧的冷空气容易进入到左燃料电池堆12L和右燃料电池堆12R。
另外，左进气管32L和右进气管32R的上述结构使得可以增加左进气管32L和右进气管32R的左进气端口33L和右进气端口33R的开口面积，并且减小左进气管32L和右进气管32R的弯曲，从而降低通道阻力。因此，未冷却散热器26的大量冷空气可被提供给左燃料电池堆12L和右燃料电池堆12R，从而提高左燃料电池堆12L和右燃料电池堆12R的冷却性能。
左进气管32L和右进气管32R的左进气端口33L和右进气端口33R在散热器26的前方设置或者与散热器26并排设置。这使得可以防止在散热器26中加热的空气进入。
在左燃料电池堆12L和右燃料电池堆12R的排气系统中，如图1和图2中所示，排气管29设置在散热器26后方。因此，这提供了从散热器26排出的被加热的气体不会停滞而是与来自左燃料电池堆12L和右燃料电池堆12R的废气一起排放到外部的结构。这种结构使得可以把来自散热器26的废气热无停滞地排放到车辆外部。因此，可以抑制空间8中的温度增加。结果，左燃料电池堆12L和右燃料电池堆12R的温度增加可被抑制。此外，在正常行驶期间，冲压空气流入，使得废气能够被平滑地排出。
如图1中所示，左进气管32L和右进气管32R具有分别在车辆宽度方向Y的内侧的左内侧外壁35L和右内侧外壁35R。左内侧外壁35L和右内侧外壁35R分别沿着散热器26在车辆宽度方向Y的外侧的左外侧外壁36L和右外侧外壁36R设置，并且以预定的角度倾斜，使得相对于车辆纵向方向X在车辆宽度方向Y上向外展开。
利用该结构，左进气管32L和右进气管32R使在车辆宽度方向Y的内侧的左内侧外壁35L和右内侧外壁35R起到散热器26的空气导板部分的作用，使更大量的冷却空气能够被提供给散热器26。这实现了散热器26的冷却性能的改善。
特别地，行驶风可能以避开散热器26的方式经过散热器26的左右两侧，该散热器26的风阻是很高的，并且冷却性能可因此下降。为了抑制该现象，在本实施例中，左进气端口33L和右进气端口33R指向车辆外侧，以使整个结构起到散热器26的空气导板的作用。
左进气管32L和右进气管32R具有分别在左进气端口33L和右进气端口33R上的防尘用左网罩37L和右网罩37R。
左网罩37L和右网罩37R的存在可以防止外来物进入左燃料电池堆12L和右燃料电池堆12R。
排气管29包括散热器开口38，散热器开口38朝向车辆前方，并且该散热器开口38供已经穿过散热器26的空气流入。散热器开口38具有管侧网罩39，用于防尘，并且如图3中所示，在前视图中，散热器开口38大致设置在空冷式燃料电池堆12的中部。
利用排气管29的该结构，如图1中所示，从左燃料电池堆12L和右燃料电池堆12R排出的空气与已经冷却了散热器26的空气可以汇合在一起而不会降低流速，并且可以从左燃料电池堆12L和右燃料电池堆12R平滑地排放到车辆后侧，从而改善左燃料电池堆12L和右燃料电池堆12R以及散热器26的冷却性能。
工业上的可利用性
根据本发明的空冷式燃料电池系统的布局还可应用于水冷式燃料电池系统。
附图标记说明
1 空冷式燃料电池车辆
2 车体面板
8 空间
9 空冷式燃料电池系统
12 空冷式燃料电池堆
12L 左燃料电池堆
12R 右燃料电池堆
14 鼓风机风扇
14L 左鼓风机风扇
14R 右鼓风机风扇
26 散热器
27L 左进气口
27R 右进气口
28L 左排气口
28R 右排气口
29 排气管
31L 左空气导板
31R 右空气导板
32L 左进气管
32R 右进气管
33L 左进气端口
33R 右进气端口
34 电动机
35L 左内侧外壁
35R 右内侧外壁
36L 左外侧外壁
36R 右外侧外壁
37L 左网罩
37R 右网罩
38 散热器开口

Claims (4)

1.一种空冷式燃料电池车辆，包括：
散热器，其设置在车辆前部的空间中，所述车辆前部的空间由构成该空间的车体面板从该空间的上部和车辆宽度方向上的两侧部包围，所述散热器用于冷却电设备；以及
空冷式燃料电池堆，其设置在所述散热器的后方，并且被配置为使用空气作为反应气体并且作为冷却介质；
其中所述空冷式燃料电池堆包括：分别在所述空冷式燃料电池堆的在车辆宽度方向上的两侧部的进气口；以及在所述空冷式燃料电池堆的在车辆宽度方向上的中部的排气口和排气管，所述排气管被配置为把从所述排气口流出的空气排放到所述车辆的后侧部分；
其中向所述车辆的前部延伸的进气管分别连接到所述进气口；并且
其中所述进气管的进气端口分别开在所述散热器的在车辆宽度方向上的两侧部且比所述散热器位置更靠近所述车辆前部。
2.根据权利要求1所述的空冷式燃料电池车辆，其中
每个所述进气管设置在车辆宽度方向上的内侧的外壁沿着所述散热器的在车辆宽度方向上的外侧部分的外壁，并且倾斜于车辆纵向方向且在车辆宽度方向上向外展开。
3.根据权利要求1所述的空冷式燃料电池车辆，其中
所述进气管具有在所述进气端口上的防尘用网罩。
4.根据权利要求1所述的空冷式燃料电池车辆，其中
所述排气管包括散热器开口，
所述散热器开口朝向所述车辆的前方，并且
所述散热器开口供已经穿过所述散热器的空气流入。
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