CN106602104B - 燃料电池车辆的冷却系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种燃料电池车辆的冷却系统。该冷却系统包括：多个燃料电池层叠成的燃料电池堆；歧管，燃料电池堆设置在歧管处，并且冷却水在歧管的内部流动以与燃料电池堆进行热交换；流量控制阀，安装在歧管中，并且基于燃料电池堆的温度开闭以使冷却水与燃料电池堆进行热交换；以及冷却水流道，将冷却水引导至歧管的内部，并且被双重地布置以与燃料电池堆进行热交换。

Description

燃料电池车辆的冷却系统
技术领域
本发明涉及燃料电池车辆的冷却系统，且更具体地，涉及一种主动维持燃料电池堆中产生的恒定的热的燃料电池车辆的冷却系统。
背景技术
电化学燃料电池对反应物即燃料和氧化剂流进行转化以产生电力和反应物。电化学燃料电池使用设置在两个电极，即阴极和阳极之间的电解质。各电极包括设置在用于诱导期望的电化学反应的电解质与电极之间的边界面处的电极催化剂。通常，电极催化剂的位置形成电化学活性范围。
通常，聚合物电解质膜(PEM)燃料电池使用由设置在两个电极层之间的离子交换膜形成的膜电极组件(MEA)。MEA包括例如碳纤维纸或碳布的作为流体扩散层的多孔导电片材。在典型的MEA中，电极层提供离子交换膜的结构支撑，并且该支撑典型地薄且有柔性。该膜是离子传导性的(例如，质子传导性的)，并且作为使反应物流彼此分离的屏障而起作用。该膜也作为两个电极层之间的电绝缘体而起作用，因为电极需要彼此电绝缘以防止短路。
电极电耦合以提供用于通过外力在电极间引导电子的路径。在燃料电池堆中，MEA通常设置在反应物流不能物理地穿透的两个隔板之间。隔板作为集电器起作用并且提供用于电极的支撑。为控制反应物流的向电化学活性范围的分布，面向MEA的隔板的表面可具有形成在电化学活性范围的露面通道。这种通道一般可形成与邻接的电化学活性范围相对应的流场区域。具有形成在电化学活性范围内的反应物通道的隔板公知为流场板。
同时，燃料电池系统包括配置成产生电能的燃料电池堆、配置成将燃料(氢)供给至燃料电池堆的燃料供给系统、配置成将作为电化学反应所需的氧化剂的空气中的氧供给至燃料电池堆的空气供给系统、以及配置成将燃料电池堆的反应热去除至系统外部并且调节燃料电池堆的运行温度的热和水管理系统。
具有以上结构的燃料电池系统通过作为燃料的氢与空气中的氧的电化学反应发电，并且排出作为反应副产物的热和水。燃料电池堆是燃料电池车辆的主动力源，并且是通过接收空气中的氧和作为燃料的氢的供给而产生电的装置。
由于当被调节至最佳温度的冷却水引入到燃料电池堆中时燃料电池堆稳定地表现出最佳输出效果，因此将流入到堆中的冷却水的温度维持在特定温度是重要的。因此，燃料电池车辆还包括在燃料电池堆回路中的冷却水温度控制器，其配置成最佳地调节流入到堆中的冷却水的温度。
燃料电池堆中的许多燃料电池串联连接在一起以增加组件的输出。在这种布置中，上述板的一侧可充当用于一个电池的阳极板，并且另一侧可充当用于相邻电池的阴极板。此外，上述板可被称为正极板。然而，随着时间的经过，当燃料电池堆中的发热量增加，并且流入旁通回路中的冷却水的温度迅速上升时，通过使用比例电磁铁的开闭而被冷却的冷却水被引入至燃料电池堆。
发明内容
本发明提供一种针对使用比例电磁铁在ON和OFF的方式下，难以进行精确的流量和位置控制，以及用于平衡燃料电池堆中温度的循回时间(lap time)长的缺点，能够通过低冷却水流道根据顾客要求实现适当应对的、提高性能和商业价值的燃料电池车辆的冷却系统。
根据本发明的一方面，燃料电池车辆的冷却系统可包括：多个燃料电池层叠成的燃料电池堆；歧管，燃料电池堆设置在歧管处，并且冷却水在歧管的内部流动以与燃料电池堆进行热交换；流量控制阀，安装在歧管中，并可基于燃料电池堆的温度开闭以使冷却水与燃料电池堆进行热交换；以及冷却水流道，配置成将冷却水引导至歧管的内部，并且被双重地布置以与燃料电池堆进行热交换。
歧管可包括：第一歧管，冷却水可被引入第一歧管；以及第二歧管，配置成将来自第一歧管的与燃料电池堆热交换后的冷却水排出。在第一歧管中，冷却水流道可在与燃料电池堆的布置方向相同的方向上形成。燃料电池堆可设置在第一歧管与第二歧管之间，并且冷却水可从第一歧管通过燃料电池堆被引入第二歧管。冷却水流道可包括：直接连接至燃料电池堆中的至少一者并排出冷却水的正常冷却水流道；以及连接至正常冷却水流道并且配置成基于燃料电池堆的温度将冷却水排出至正常冷却水流道的低冷却水流道。
冷却水流道可包括配置成连接正常冷却水流道和低冷却水流道以调节冷却水量的连接器。流量控制阀可安装在连接器中，以基于燃料电池堆的温度将低冷却水流道的冷却水引导至正常冷却水流道。流量控制阀可由电磁阀实施。另外，燃料电池堆可包括连接至第一歧管且连接至正常冷却水流道的冷却水供给口，并且可包括连接至第二歧管且配置成将通过冷却水供给口引入并冷却燃料电池堆后的冷却水排出的排出口。
系统还可包括安装在燃料电池堆的至少一者中并且配置成测量燃料电池堆的温度的温度传感器。温度传感器可安装在燃料电池堆的排出口中。流量控制阀可基于由温度传感器测量的值开闭。另外，系统可包括设置在燃料电池堆的一侧以收集来自燃料电池堆的电力并且连接至外部的集电板。
附图说明
通过以下结合附图进行的详细说明，本发明的目的、特征和优点将更加明显可见，其中：
图1是示出根据本发明的示例性实施例的燃料电池车辆的冷却系统的主视图；
图2是根据本发明的示例性实施例的图1的剖视图；
图3和图4是示出根据本发明的示例性实施例的放大的图2的A部分和操作的局部放大图；
图5是示出根据本发明的示例性实施例的燃料电池车辆的冷却系统的操作的流程图；
图6是示出根据本发明的另一示例性实施例的燃料电池车辆的冷却系统的操作的流程图；并且
图7A至图7B是示出根据本发明的燃料电池车辆的冷却系统的效果的图。
附图中各元件的附图标记
10：多个燃料电池堆；
20：歧管；
30：冷却水流道；
40：流量控制阀；
50：温度传感器；
60：电极；
70：弹性部件；
80：橡胶密封件。
具体实施方式
应当理解的是，本文所使用的术语“车辆”或“车辆的”或者其他类似术语包括一般的机动车辆，诸如包括运动型多功能车(SUV)、公共汽车、卡车、各种商用车辆在内的乘用车辆、包括各种艇和船在内的水运工具、飞行器等，并且包括混合动力车辆、电动车辆、插电式混合动力电动车辆、氢动力车辆及其它替代燃料车辆(例如，从石油以外的资源取得的燃料)。如本文所提及的，混合动力车辆是具有两种或更多种动力源的车辆，例如具有汽油动力和电动力两者的车辆。
虽然示例性实施例被描述为使用多个单元来执行示例性处理，但应当理解的是，示例性处理也可由一个或多个模块执行。另外，应当理解的是，术语控制器/控制单元指的是包括存储器和处理器的硬件设备。存储器配置成存储模块，并且处理器被具体配置成执行所述模块，以执行以下进一步说明的一个或多个处理。
本文所使用的术语仅为了说明特定实施例的目的，并非旨在限制本发明。如本文所使用的，单数形式“一个”、“一种”和“该”旨在也包括复数形式，除非上下文另外明确指明。还将理解的是，当在本说明书中使用时，词语“包括”和/或“包含”指定所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但不排除一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、部件和/或其集合的存在或添加。如本文所使用的，词语“和/或”包括一个或多个相关列出项的任何和全部组合。
将参照附图详细说明本发明的示例性实施例。在所有附图中使用相同的附图标记指代相同或相似的部分。为避免模糊本发明的主题，可省略包含在本文中的公知的功能和结构的详细说明。
图1是示出根据本发明的示例性实施例的燃料电池车辆的冷却系统的主视图，图2是图1的剖视图，图3和图4是示出放大的图2的A部分和操作的局部放大图。燃料电池车辆的冷却系统可由本领域普通技术人员做出改变，并且在本示例性实施例中，其可意指燃料电池车辆的冷却系统。
图1是示出根据本发明的示例性实施例的燃料电池车辆的冷却系统的主视图。参照图1和图2说明根据本发明的示例性实施例的燃料电池车辆的冷却系统。燃料电池车辆的冷却系统可包括：多个燃料电池层叠成的燃料电池堆10；歧管20，燃料电池堆10设置在歧管20处，并且冷却水在歧管20的内部流动以便与燃料电池堆10进行热交换；流量控制阀40，安装在歧管20中，并可基于燃料电池堆10的温度开闭以使冷却水与燃料电池堆10进行热交换；以及冷却水流道30，配置成将冷却水引导至歧管20中，并可双重布置以便与燃料电池堆10进行热交换。
具体地，多个燃料电池可在燃料电池堆10中层叠。多个燃料电池堆10可隔开规则间隔地布置在歧管20内。燃料电池堆10可包括配置成测量燃料电池堆10的温度的温度传感器50并可设置在歧管20中。燃料电池堆10可配置成与从冷却水流道30引入的冷却水进行热交换。用于燃料电池堆10的冷却水可以是用于在燃料电池堆10的内部循环的同时冷却燃料电池堆10，并且用于在逆变器和电动机等电力装置的内部和周边循环的同时冷却电力装置的流体。
由于燃料电池堆10的发热量显著大于电力装置和冷凝器的发热量，因此可增加向燃料电池堆10的冷却水的供给，以排出从燃料电池堆10产生的热，由此防止车速降低。燃料电池堆10可设置在歧管20内，并且冷却水可流经燃料电池堆10的内部以进行热交换。歧管20可包括冷却水可被引入的第一歧管24，以及配置成将来自第一歧管24的与燃料电池堆10热交换后的冷却水排出的第二歧管28。
此外，冷却水流道30可形成在第一歧管24的内部，使冷却水流动。第一歧管24的冷却水流道30可在与燃料电池堆10的布置方向相同的方向上形成。燃料电池堆10可设置在第一歧管24与第二歧管28之间，并且冷却水可从第一歧管24通过燃料电池堆10被引入第二歧管28中。可形成连接至第一歧管24并且连接至后述的正常冷却水流道33以将冷却水供给至燃料电池堆10的冷却水供给口33b。
另外，可形成接收与燃料电池堆10热交换后的冷却水的排出口。可形成将通过冷却水供给口33b引入并与燃料电池堆10进行热交换的冷却水排出的出口。可在第一歧管24与第二歧管28之间设置收集电力并连接至外部的安装在燃料电池堆10的一侧的集电板90。集电板90可以是用于通过收集来自串联层叠的电池堆的电力而连接至外部的金属板，可由不锈钢、铜、黄铜等材料制成，并可进行镀金处理等以实现耐蚀性并减小接触电阻。
可在歧管20的内部双重地布置冷却水流道30(例如，可设置多个冷却水流道)，以诱导冷却水并允许与燃料电池堆10进行热交换。冷却水流道30可形成在歧管20的内部，使冷却水被诱导至燃料电池堆10。冷却水流道30可包括直接连接至燃料电池堆10中的至少一者以排出冷却水的正常冷却水流道33，和连接至正常冷却水流道33且配置成基于燃料电池堆10的温度将冷却水排出至正常冷却水流道33的低冷却水流道36。
冷却水流道30可包括形成为连接正常冷却水流道33和低冷却水流道36以调节冷却水量的连接器30a。连接器30a可包括配置成基于燃料电池堆10的温度将低冷却水流道36的冷却水供给至正常冷却水流道33的流量控制阀40。
正常冷却水流道33可沿燃料电池堆10的布置方向形成并可设置在第一歧管24中。正常冷却水流道33可包括直接连接至燃料电池堆10的冷却水供给口33a。冷却水供给口33a可形成在连接器30a的垂直线上。正常冷却水流道33可直接连接至燃料电池堆10中的至少一者并可配置成排出冷却水。流量控制阀40可开放以将冷却水直接供给至燃料电池堆10。
此外，低冷却水流道36可设置在与沿燃料电池堆10的布置方向形成的正常冷却水流道33相同的方向上。低冷却水流道36可通过连接器30a连接至正常冷却水流道33以将冷却水供给至燃料电池堆10。低冷却水流道36可包括连接至连接器30a的冷却水引导口36a，并可配置成利用冷却水引导口36a将冷却水供给至正常冷却水流道33。低冷却水流道36的冷却水可通过流量控制阀40进行调节(例如，可调节冷却水量)。同时，可设置排出流道39，以使在燃料电池堆10中热交换后的冷却水通过排出流道39排出至歧管20的外部。可沿在第二歧管28的内部设置燃料电池堆10的布置方向形成排出流道39。
流量控制阀40可设置在歧管20中，并可基于燃料电池堆10的温度开闭，以使冷却水与燃料电池堆10进行热交换。流量控制阀40可设置在第一歧管24中。流量控制阀40可基于燃料电池堆10的温度开闭，并可配置成引导(例如，允许)和阻断低冷却水流道36通向正常冷却水流道33。流量控制阀40可设置在形成于正常冷却水流道33与低冷却水流道36之间的连接器30a中。流量控制阀40可由电磁阀实施。流量控制阀40可基于由温度传感器50测量的值而开闭。
具体地，流量控制阀40可包括内部设置有正极磁铁44的壳体42，和设置在壳体42的外周的导线46。流量控制阀40可配备有通过磁场移动壳体42的弹性部件70。此外，具有与流量控制阀40的导线46相反的方向的负极磁铁48可设置在连接器30a的内壁上。
同时，如图3和图4中所示，导线46可连接至电极60以产生磁场。换言之，电极60可包括负极63和正极66。导线46的一端可连接至负极63，并且导线46的另一端可连接至正极66。电极可配置成基于踏板接合量通过节气门位置传感器(TPS)施加电流。
因此，流量控制阀40可配置成使用温度传感器50测量燃料电池堆10的温度。当温度为预设温度或更高时，电流可通过负极63流动并且磁场可在从正极磁铁44至负极磁铁48的方向上流动，而且流动电流的方向可以是进入方向。因此，如图3中所示，向下的动力可施加至导线。
因此，当关闭冷却水引导口36a的壳体42在附着后分离时，流量控制阀40可开启。流量控制阀40可由此开放以使冷却水从低冷却水流道36流动至正常冷却水流道33。另外，流量控制阀40可配置成使用温度传感器50测量燃料电池堆10的温度。当温度为预设温度或更高、或者预设温度或更低时，电流可通过第二电缆66流入磁场中的导线，使得磁场在相反方向流动。换言之，电流的方向为涌出方向，并且向上的动力可施加至导线。因此，开放冷却水引导口36a的壳体42可被弹性部件向上推压以关闭冷却水引导口36a。因此，流量控制阀40可切断冷却水的流动。
具体地，流量控制阀40可包括设置在冷却水引导口36a中的橡胶密封件80，以防止由于弹性部件70的压力而使冷却水从低冷却水流道36泄漏。然而，弹性部件70可被设计成使得向上推压壳体42的力、即反作用力可用作冷却水流入循环压力。温度传感器50可安装在燃料电池堆10的至少一者中以测量燃料电池堆10的温度。温度传感器50可安装至燃料电池堆的排出口，以测量从燃料电池堆10排出的冷却水的温度。
对如上所述配置的根据本发明的燃料电池车辆的冷却系统的操作进行说明。图3和图4是示出放大的图2的A部分和操作的局部放大图，并且图5是示出根据本发明的实施例的燃料电池车辆的冷却系统的操作的流程图。
参照图3至图5说明本发明的燃料电池车辆的冷却系统的示例性实施例，图3和图4是示出放大的图2的A部分和操作的局部放大图，并且图6是示出根据本发明的另一示例性实施例的燃料电池车辆的冷却系统的操作的流程图。
参照图3、图4和图6说明本发明的燃料电池车辆的冷却系统的另一示例性实施例，可从电子控制器接收发动机启动(S10)信号以测量歧管20的燃料电池堆10的温度(S20)。用于调节冷却水的流动的流量控制阀40可基于燃料电池堆10的温度值开闭，以调节该燃料电池堆的温度。
具体地，在测量燃料电池堆10的温度的步骤中，可将冷却水引入用以在配备有燃料电池堆10的歧管20中冷却燃料电池堆10的冷却水流道30中，并可将冷却水分开且引入与冷却水流道30的冷却水进行热交换的正常冷却水流道33，以及基于流量控制阀40的开闭与燃料电池堆10进行热交换的低冷却水流道36。
在调节燃料电池堆10的温度的步骤中，在配置成测量燃料电池堆10的温度的温度传感器50中预先设定温度值后，当燃料电池堆10的温度超过预设温度时，流量控制阀40可开启(S30、S40)。换言之，当燃料电池堆10的温度超过预设温度时(S130)，通过施加与加速器的踏板力(例如，施加至踏板上的力或压力的量)相对应的节气门位置传感器(TPS)信号作为正极电流(S140)，流量控制阀40可开启，以将低冷却水流道36的冷却水通过正常冷却水流道33引导至燃料电池堆10。
同时，在调节燃料电池堆10的温度的步骤中，在配置成测量燃料电池堆10的温度的温度传感器50中预先设定温度值后，当燃料电池堆10的温度为预设温度或更低时，流量控制阀40可关闭。换言之，当燃料电池堆10的温度为预设温度或更低时，通过基于加速器的踏板力施加与节气门位置传感器(TPS)信号相对应的电流作为负极电流(S145)，流量控制阀40可关闭，以防止低冷却水流道36的冷却水流动至正常冷却水流道33。
图7A至图7B是示出根据本发明的燃料电池车辆的冷却系统的效果的图。图7A示出由于冷却水流道的控制效果，燃料电池堆的内部温度的之前和之后的差异。并且图7B示出通过由燃料电池堆的内部温度自补偿实现的平衡的冷却供给，比之前提高了冷却性能。换言之，通过将燃料电池堆在内部之间冷却至相同的温度，使燃料电池堆的温度间的差异最小化，从而提高了耐久性。
根据本发明的燃料电池车辆的冷却系统，冷却水流道可形成为使燃料电池堆中的温度的循回时间最小化，从而提高燃料电池堆的耐久性和性能。另外，可应用线性方式使得能够进行高精度的流量和位置控制，从而提高性能。此外，能够补偿燃料电池堆的温度而无需单独的控制器，从而简化结构并提高商业价值。
在上文中，虽然已参照示例性实施例和附图说明了本发明，但是本发明不限于此，而是可由本发明所属领域的技术人员进行各种修改和变形，而不脱离在所附权利要求中所要求保护的本发明的思想和范围。

Claims (13)

1.一种燃料电池车辆的冷却系统，包括：
多个燃料电池层叠成的燃料电池堆；
歧管，所述燃料电池堆设置在所述歧管处，并且冷却水在所述歧管的内部流动以与所述燃料电池堆进行热交换；
流量控制阀，安装在所述歧管中，并且基于所述燃料电池堆的温度开闭以使冷却水与所述燃料电池堆进行热交换；以及
冷却水流道，配置成将冷却水引导至所述歧管的内部，并且被双重地布置以与所述燃料电池堆进行热交换，
其中所述冷却水流道包括：
正常冷却水流道，直接连接至所述燃料电池堆中的至少一者并排出冷却水；
低冷却水流道，连接至所述正常冷却水流道，并且配置成基于所述燃料电池堆的温度将冷却水排出至所述正常冷却水流道；以及
连接器，配置成连接所述正常冷却水流道和所述低冷却水流道以调节冷却水量，
其中所述流量控制阀安装在所述连接器中，以基于所述燃料电池堆的温度将所述低冷却水流道的冷却水引导至所述正常冷却水流道。
2.根据权利要求1所述的系统，其中所述歧管包括：
第一歧管，冷却水被引入所述第一歧管；以及
第二歧管，配置成将来自所述第一歧管的与所述燃料电池堆热交换后的冷却水排出，
其中在所述第一歧管中，所述冷却水流道在与所述燃料电池堆的布置方向相同的方向上形成。
3.根据权利要求2所述的系统，其中所述燃料电池堆设置在所述第一歧管与所述第二歧管之间，并且冷却水从所述第一歧管通过所述燃料电池堆被引入所述第二歧管。
4.根据权利要求1所述的系统，其中所述流量控制阀由电磁阀实施。
5.根据权利要求2所述的系统，其中所述燃料电池堆包括连接至所述第一歧管且连接至所述正常冷却水流道的冷却水供给口，并且包括连接至所述第二歧管且配置成将通过所述冷却水供给口引入并冷却所述燃料电池堆后的冷却水排出的排出口。
6.根据权利要求5所述的系统，还包括：
温度传感器，安装在所述燃料电池堆的至少一者中，并且配置成测量所述燃料电池堆的温度。
7.根据权利要求6所述的系统，其中所述温度传感器安装在所述燃料电池堆的所述排出口中。
8.根据权利要求1或权利要求6所述的系统，其中所述流量控制阀基于由温度传感器测量的值开闭。
9.根据权利要求1所述的系统，还包括：
集电板，设置在所述燃料电池堆的一侧，以收集来自所述燃料电池堆的电力并且连接至外部。
10.一种用于控制燃料电池车辆的冷却系统的方法，所述方法包括以下步骤：
由控制器接收发动机启动信号并且测量设置在歧管中的燃料电池堆的温度；以及
由所述控制器通过基于所述燃料电池堆的温度开闭流量控制阀以调节冷却水的流动，来调节所述燃料电池堆的温度，
其中测量所述燃料电池堆的温度的步骤包括：
将冷却水引入用于在配备有所述燃料电池堆的所述歧管中冷却所述燃料电池堆的冷却水流道中；以及
将冷却水分开并引入与所述冷却水流道的冷却水进行热交换的正常冷却水流道，以及基于所述流量控制阀的开闭与所述燃料电池堆进行热交换的低冷却水流道，
其中调节所述燃料电池堆的温度的步骤包括：
在配置成测量所述燃料电池堆的温度的温度传感器中预先设定温度值后，当所述燃料电池堆的温度超过预设温度时，由所述控制器开启所述流量控制阀，以将所述低冷却水流道的冷却水引导至所述正常冷却水流道。
11.根据权利要求10所述的方法，其中调节所述燃料电池堆的温度的步骤包括：
在所述温度传感器中预先设定温度值后，当所述燃料电池堆的温度为预设温度或更低时，由所述控制器关闭所述流量控制阀。
12.根据权利要求10所述的方法，其中当测量所述燃料电池堆的温度超过预设温度时，通过将与节气门位置传感器信号相对应的电流施加至正极，将所述流量控制阀开启，以将所述低冷却水流道的冷却水通过所述正常冷却水流道引导至所述燃料电池堆。
13.根据权利要求10所述的方法，其中当测量所述燃料电池堆的温度为预设温度或更低时，通过将与节气门位置传感器信号相对应的电流施加至负极，将所述流量控制阀关闭，以防止所述低冷却水流道的冷却水流动至所述正常冷却水流道。
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