CN107180979A - 燃料电池堆的热管理 - Google Patents

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Abstract

公开了燃料电池堆的热管理。公开了燃料电池热管理系统和控制方案。在一个实施例中，所述系统可包括燃料电池堆、热交换器、包括具有50‑120℃的熔化温度的材料的蓄热能电池、包括燃料电池堆和蓄热能电池而不包括热交换器的第一冷却液回路以及包括燃料电池堆、蓄热能电池和热交换器的第二冷却液回路。第一冷却液回路和第二冷却液回路可被配置为分别加热和冷却燃料电池堆。所述系统可包括控制器或处理器，所述控制器或处理器被配置为：基于燃料电池堆的负的热排放状态，引导冷却液以将热从蓄热能电池传递到燃料电池堆；基于燃料电池堆的正的热排放状态，在蓄热能电池低于目标温度时，引导冷却液以将热从燃料电池堆传递到蓄热能电池。

Description

燃料电池堆的热管理
技术领域
本公开涉及(例如)使用相变材料对燃料电池堆进行热管理。
背景技术
诸如氢燃料电池的燃料电池是一种低排放能量的潜在源。由燃料电池供电的车辆可降低排放和对油基燃料的依赖。然而，燃料电池在车辆中的使用可能提出了某些挑战。技术挑战的一个示例可能是对氢燃料电池堆的适当热管理。在运行期间，燃料电池可具有不应被超过的最大运行温度。相应地，在车辆中散热系统可能是必需的。另一方面，燃料电池还具有最小运行温度并且应该防止燃料电池的组件冻结。因此，在可能经历极低温度(诸如0℃)的区域中，可能需要主动加热系统来保持燃料电池温度升高。加热系统和冷却系统两者都可将额外的组件添加到燃料电池系统，进而燃料电池系统可增加复杂性、占据车辆内容积并增大成本。
发明内容
在至少一个实施例中，提供一种燃料电池热管理系统。所述系统可包括：燃料电池堆；热交换器；蓄热能电池(thermal battery)，包括具有50℃-120℃的熔化温度的材料；第一冷却液回路，包括燃料电池堆和蓄热能电池而不包括热交换器；第二冷却液回路，包括燃料电池堆、蓄热能电池和热交换器。第一冷却液回路和第二冷却液回路可被构造为分别加热和冷却燃料电池堆。
所述系统还可包括第三冷却液回路，第三冷却液回路包括燃料电池堆、蓄热能电池和连接到气候控制系统的加热器芯，第三冷却液回路可被构造为将热从蓄热能电池传递到加热器芯。所述系统还可包括第一温度传感器和第二温度传感器，第一温度传感器被配置为测量冷却液进入燃料电池堆的入口温度，第二温度传感器被配置为测量冷却液离开燃料电池堆的出口温度。在一个实施例中，第一温度传感器和第二温度传感器是系统中仅有的冷却液温度传感器。
在一个实施例中，所述材料具有至少100kJ/kg的熔化潜热。所述系统还可包括仅被包括在第二冷却液回路中的第一泵和设置在燃料电池堆的入口的上游的第二泵。第一冷却液回路可包括位于蓄热能电池的下游且在燃料电池堆的入口的上游的孔口节流器。在一个实施例中，所述系统包括位于蓄热能电池的下游并被构造为将冷却液引导至第一冷却液回路或第二冷却液回路的三通阀。第一冷却液回路可被构造为：在燃料电池堆低于目标运行温度时加热燃料电池堆，而在燃料电池堆高于所述目标运行温度时冷却燃料电池堆。
在至少一个实施例中，提供了一种燃料电池热管理系统。所述系统可包括：燃料电池堆；热交换器；蓄热能电池，包括具有超过100kJ/kg的熔化潜热的材料；第一冷却液回路，包括燃料电池堆和蓄热能电池；第二冷却液回路，包括燃料电池堆、蓄热能电池和结合到气候控制系统的加热器芯；第三冷却液回路，包括燃料电池堆、蓄热能电池和热交换器。
在一个实施例中，所述系统还包括第一温度传感器和第二温度传感器，第一温度传感器被配置为测量冷却液进入燃料电池堆的入口温度，第二温度传感器被配置为测量冷却液离开燃料电池堆的出口温度。在另一实施例中，蓄热能电池中的材料具有50℃-120℃的熔化温度。所述系统还可包括仅被包括在第三冷却液回路中的第一泵和设置在燃料电池堆的入口的上游的第二泵。第一冷却液回路可被构造为：在燃料电池堆低于目标运行温度时加热燃料电池堆，而在燃料电池堆高于所述目标运行温度时冷却燃料电池堆。在一个实施例中，第三冷却液回路被构造为：在燃料电池堆高于目标运行温度时冷却燃料电池堆，而在蓄热能电池高于目标温度时冷却蓄热能电池。
一个或更多个计算机的系统可被配置为：凭借将在操作过程中使系统执行动作的软件、固件、硬件或它们的组合安装在系统上来执行特定操作或动作。一个或更多个计算机程序能够被配置为凭借包括在由数据处理设备执行时使设备执行动作的指令来执行特定操作或动作。一个总体方面包括燃料电池热管理系统，所述系统包括燃料电池堆、热交换器和蓄热能电池。燃料电池热管理系统还包括处理器，所述处理器被配置为：基于燃料电池堆的负的热排放状态，引导冷却液以将热从蓄热能电池传递至燃料电池堆；基于燃料电池堆的正的热排放状态，在蓄热能电池低于目标温度时，引导冷却液以将热从燃料电池堆传递至蓄热能电池。本方面的其它实施例包括相应的计算机系统、设备和记录在一个或更多个计算机存储装置(每个计算器存储装置被配置为执行所述方法的动作)上的计算机程序。
实施可包括下面特征中的一个或更多个。在所述系统中，处理器被进一步配置为：在蓄热能电池高于目标温度时，引导冷却液以将热从蓄热能电池传递至热交换器。在所述系统中，处理器被进一步配置为：基于燃料电池堆的正的热排放状态，引导冷却液以将热从燃料电池堆传递至热交换器。在所述系统中，处理器被进一步配置为：基于燃料电池堆的正的热排放状态，在蓄热能电池高于目标温度并且热交换器处于最大冷却容量时，引导冷却液以将热从燃料电池堆传递至蓄热能电池。在所述系统中，处理器被进一步配置为：引导冷却液以将热从蓄热能电池传递至气候控制系统的加热器芯。所描述的技术的实施例可包括硬件、方法或处理或计算机可访问介质上的计算机软件。
附图说明
图1是根据实施例的用于燃料电池堆的热管理系统的示意图；
图2是根据实施例的包括相变材料的蓄热能电池的图示；
图3是示出了根据实施例的用于操作热管理系统的算法的流程图。
具体实施方式
根据需要，在此公开本发明的具体实施例；然而，应当理解的是，虽然所公开的实施例可能没有被明确地描述或示出，但是所公开的实施例仅为在本公开范围内的示例性实施例和其他实施例。附图无需按比例绘制；可放大或缩小一些特征以显示特定组件的细节。因此，具体结构和功能细节不应被解释为限制，而仅仅作为教导本领域技术人员在公开的范围内以多种形式应用本发明的代表性基础。
可以针对燃料电池(例如，氢燃料电池)的冷却系统考虑多个重要的因素。一个因素是：质子交换膜燃料电池(PEMFC，还称为聚合物电解质膜燃料电池)的标称运行温度可具有上限，诸如约95℃。因此，用于热排放/热排除的驱动力可明显比典型内燃发动机(ICE)冷却系统中的热排放/热排除的驱动力小。另一因素是：由于排气流可能在热排除方面贡献很少，因此可能需要通过辅助冷却系统来排除大多数或全部的废热负载。这两个因素可能需要车辆燃料电池系统具有相对大的散热器或热交换器。为这种大的散热器提供容积/空间可提出了重大的设计挑战。此外，PEM燃料电池可仅容许相对较小的温度变化。例如，电池温度低于某一范围可导致水凝结和电极淹没，这可导致由向反应物传质(reactant masstransport)增加阻力而产生的电压损失。相应地，燃料电池可具有严格的热要求，该热要求可提出重大的热传递问题。
除了冷却以外，可能存在与燃料电池的使用相关联的加热问题。在低温环境状况期间，燃料电池堆可能需要承受低温或冻结温度而不发生损坏。例如，燃料电池车辆可能需要一直在某温度(例如，0℃)以上存放或燃料电池车辆可能需要被主动保护以免冻结(例如，通过加热)。解决该问题的一种方法是使用电阻加热以将某些部件保持在冻结温度(或其它最小温度)以上，并可使用隔热材料来减小所需要的电力。该低电力系统可通过使用(例如)绝热材料、浸入式加热器或者水/乙二醇(WEG)加热器和泵以由12V辅助电系统供电来对燃料电池堆进行加热而仅保护燃料电池堆。在燃料电池堆开始产生热之前，即使燃料电池堆保持在冻结温度以上，当使用冷却系统的低于冻结温度的一些部分(随后循环经过燃料电池堆)启动燃料电池系统时，也可产生损坏。
参照图1，公开了一种热管理系统(TMS)10(例如，加热和/或冷却)，该热管理系统使用相变材料(PCM)对燃料电池堆的温度进行缓冲。公开的系统可在车辆中使用，然而，公开的系统还可以在其它应用中使用。热管理系统10可连接到燃料电池堆12。燃料电池堆12可具有任意已知的结构和设计。燃料电池堆12可以是氢燃料电池堆。燃料电池的基本结构被本领域普通技术人员所熟知并且将不会被详细描述。通常，燃料电池(例如，氢燃料电池)包括一堆重复的燃料电池单元。每个电池可包括负电极(阳极)、电解质和正电极(阴极)。在质子交换膜燃料电池(PEMFC)中，电解质是固体的质子传导膜，其是电绝缘的但允许质子通过。通常，在阳极处使用双极板或流场板将诸如氢的燃料源引入，在双极板或流场板中燃料源与催化剂反应并分裂为电子和质子。质子穿过电解质行进到阴极，电子通过外部电路并且随后行进到阴极。在阴极处，从另一双极板引入的空气中的氧在另一催化剂处与电子和质子反应，以形成水。多个燃料电池单元电池可封装在一起以形成燃料电池堆。
TMS 10可包括诸如管道(tubing)、软管(hose)或管路(piping)的管线14，管线14被构造为输送或运送冷却液。管线14可连接或结合到燃料电池堆12的入口13和出口15。燃料电池堆12可包括内冷却液路径(未示出)，该内冷却液路径可在燃料电池堆内输送冷却液并且从燃料电池组件提取热能或给燃料电池组件提供热能。图1中示出的燃料电池堆12仅为示意性的，并且入口13和出口15可具有任意适合的位置或布置。管线14可由任意适合的材料形成并且可以是刚性的或柔性的。适合的管线材料的非限制性示例可包括诸如三元乙丙橡胶(EPDM)的弹性体或橡胶、诸如钢(例如，低碳钢)、铜、铝或其它。此外，用于TMS 10中的冷却液可以是任意适合的冷却液，诸如水、与水混合的丙二醇或乙二醇、油或其它流体。
TMS 10可包括相变材料(PCM)16。PCM 16可被封装或设置在壳体18内。壳体18的壁可使用任意适合的绝热材料和/或真空密封所述壁以使PCM 16绝热。壳体18可具有被构造为从管线14接收冷却液和使冷却液返回管线14的入口20和出口22。与燃料电池堆12相似，图1中的壳体18仅为示意性的，入口20和出口22可具有任意适合的位置或布置。PCM 16和壳体18可统称为PCM热容器(thermal capacitor)或蓄热能电池(thermal battery)24。如在下文另外详细描述的，蓄热能电池24可被构造为对燃料电池堆的温度进行缓冲，协助冷启动，改善车厢预热和/或在燃料电池堆的运行期间协助热排放。
相变材料(PCM)16可以是具有高热容量和/或熔化潜热的材料。热容量(例如，比热容)通常指1克物质的温度升高1摄氏度所需要的热量或能量。熔化潜热通常指物质的状态从固体改变到液体所需要的热量或能量。熔化比热可以是在没有任何温度改变的情况下将1单位重量(例如，1克的物质)从固体转化为液体所需要的热量或能量。相应地，热容量指使处于给定状态(例如，固体或液体)的物质的温度升高的热/能，并且熔化潜热指在恒定温度下促成相变(例如，固体到液体)的热/能。在相变期间吸收或释放的热或能可称为潜热，而在温度改变期间吸收或释放的热或能可称为显热。
为了储存、吸收和/或释放大量的能，蓄热能电池24中的PCM 16可具有高热容量和/或高熔化潜热。这可能意味着所述材料需要相对大量的能量以分别提高材料温度或从固体变为液体(熔化)。这些特性中的任一特性可允许PCM 16从管线14中的冷却液吸收大量的热能，并且随后过一段时间将大量的能量释放到冷却液中。除了PCM 16具有高热容量和/或高熔化潜热以外，或替代PCM 16具有高热容量和/或高熔化潜热，可增加蓄热能电池24中的PCM 16的数量以增大蓄热能电池24的容量。蓄热能电池24中的PCM 16的量(例如，质量)越大，可储存并在稍后释放的能量越多。
相变材料(PCM)16可以是具有相对高的热容量和/或高熔化潜热的任意材料。PCM16还可具有在可由冷却液经历的温度范围内(例如，在约0℃与120℃之间)的熔化温度。然而，还可以使用具有在该范围之外的熔化温度的材料。在一个实施例中，PCM可具有0℃到120℃(或在该范围之间的任意子范围，例如，50℃到120℃、60℃到120℃、70℃到120℃或80℃到120℃)的相变温度或熔化温度。在另一实施例中，PCM可具有至少100kJ/kg(例如，至少110kJ/kg、120kJ/kg、150kJ/kg、200kJ/kg、250kJ/kg、300kJ/kg或350kJ/kg)的熔化潜热。PCM可具有100kJ/kg到400kJ/kg、120kJ/kg到400kJ/kg、200kJ/kg到400kJ/kg或300kJ/kg到400kJ/kg的熔化潜热。PCM可以是任意类型的材料，诸如有机材料、蜡、盐、酒精或其它。可用作PCM 16的具体材料的非限制性示例可包括：来自Rubitherm GmbH的有机PCM，诸如RT70HC、RT 80HC、RT 90HC或RT 100(例如，RT 100具有100℃的熔化温度和124kJ/kg的潜热)；水(例如，熔化温度为0℃和潜热为334kJ/kg)；石蜡(例如，熔化温度为60℃和潜热为220kJ/kg)；盐(例如，NaNO3，熔化温度为306℃和潜热为114kJ/kg)；赤藓糖醇(erythritol)(例如，熔化温度为118℃和潜热为349kJ/kg)；或Sr(OH)2·8H2O(例如，熔化温度为90℃和潜热为375kJ/kg)。
在至少一个实施例中，热管理系统(TMS)10可包括一个或更多个冷却液回路。例如，如图1所示，可存在三个冷却液回路26、28和30。第一冷却回路26(可称为冷启动回路或冻结保护回路)可使冷却液通过管线14循环经过燃料电池堆12和蓄热能电池24。在一个实施例中，燃料电池堆12和蓄热能电池24基本上是第一冷却回路26上仅有的热负载。如在此使用的诸如阀、传感器和泵的组件不被认为是热负载，这是因为它们不从冷却液吸收大量的热能或不向冷却液释放大量的热能。
第二冷却回路28(可称为加热器芯回路或车厢回路)可使冷却液通过管线14循环经过燃料电池堆12、蓄热能电池24和加热器芯32。在一个实施例中，燃料电池堆12、蓄热能电池24和加热器芯32基本上是第二冷却回路28上仅有的热负载。加热器芯32可连接或结合到车辆(例如，汽车、船、飞机等)的气候控制系统。如果燃料电池堆12不给车辆供电，则加热器芯32可连接到能够利用余热的另一系统，诸如建筑物的HVAC系统。
第三冷却回路30(可称为热排放回路或散热器回路)可使冷却液通过管线14循环经过燃料电池堆12、蓄热能电池24和散热器或热交换器34。在一个实施例中，燃料电池堆12、蓄热能电池24和散热器34基本上是第三冷却回路30上仅有的热负载。散热器或热交换器34可以是散发来自冷却液的热的任意适合的装置。例如，散热器可包括翅片或将热能从冷却液传递到周围环境的其它的大表面积的组件。散热器可包括长的冷却液路径，诸如弯曲或蜿蜒的冷却路径，以增加冷却液与散热器的接触时间。
除了上面提及的热负载以外，其它组件可存在于一个或更多个冷却液回路中。温度传感器36可位于TMS 10内的一个或多个位置或结合到TMS 10内的一个或多个位置。在一个实施例中，温度传感器36可被配置为在任意或全部的热负载的入口和出口处(例如，通过被定位在入口/出口处或附近的位置，或远程结合到入口/出口的位置或入口/出口附近的位置)测量冷却液或输送冷却液的管线14的温度。例如，温度传感器36可被配置为测量燃料电池堆12、蓄热能电池24、加热器芯32和/或散热器34的入口/出口的温度。在示出的实施例中，可存在两个温度传感器36，一个位于燃料电池堆12的入口13处，一个位于燃料电池堆12的出口15处。
诸如泵和阀的其它组件也可存在于TMS 10中。泵的数量可根据TMS 10的构造和尺寸(诸如，管线14的长度)而改变。在一个实施例中，TMS 10可包括至少一个泵38，泵38可以是电动泵。在图1中示出的示例中，TMS 10包括两个泵38。一个泵38可设置在燃料电池堆12的入口13附近。因此，这个泵38可位于全部三个回路26、28和30内。另一泵38可被设置在散热器34的上游。这个泵可仅位于第三回路30中，并可协助克服因散热器34产生的流动限制。然而，如上所述，另外的泵38可位于TMS 10内，从而提高流量、克服流动限制或出于任何其它目的。此外，在一些实施例中可仅存在单个泵38。
在TMS 10中可包括一个或更多个阀40。阀40可控制冷却液经过管线14的流动并可控制启用哪个热负载(例如，从冷却液吸收能量或向冷却液释放能量)。阀40可以是电控阀，诸如电磁阀。阀40可以是单通阀、二通阀、三通阀、四通阀、更多通的阀或它们的任意组合。在至少一个实施例中，可存在位于燃料电池堆12与蓄热能电池24之间的三通阀42。该阀可控制管线14中的冷却液是否流经蓄热能电池24。
如果确定了(在下面更详细地描述)冷却液将流经蓄热能电池24，则阀可开启以使冷却液流向壳体18的入口20、经过PCM 16、并从壳体的出口22流出。如果确定了冷却液将不流经蓄热能电池24，则阀可关闭通向入口20的管线并打开绕开蓄热能电池24的管线。为了避免反向流动，TMS 10中的热负载组件的任意或全部的入口和出口可具有单通阀或止回阀。
另一三通阀44可位于蓄热能电池的下游。该阀可控制管线14中的冷却液可流经哪个(些)回路。在示出的实施例中，该三通阀可控制冷却液是流经第一回路26和/或第二回路28还是流经第三回路30。如果确定了冷却液将流经第一回路26和/或第二回路28，则阀可开启使得冷却液不流经散热器34。如果确定了冷却液将流经第三回路30，则阀可开启使得冷却液流经散热器34。
最初第一回路26和第二回路28可共用相同的管线14，但在三通阀44的下游可能存在分岔部，该分岔部使三通阀44的下游分成两个回路。两个回路之间的分岔部可具有阀或可不具有阀。在示出的实施例中，不存在阀并且第一回路和第二回路可并联流动。然而，可存在位于分岔部处的阀(诸如三通阀)，以控制是流经第一回路26、还是流经第二回路28或是流经这两者。可选地，四通阀可替代上面的三通阀44，并且三个回路可在四通阀处彼此分开(例如，代替共用相同的管线)。基于本公开，本领域普通技术人员将理解，管线14和阀40的具体构造可根据TMS 10的设计而改变。
除了泵和阀以外，在TMS 10中可存在其它组件。例如，可存在位于管线14内或附连到管线14的一个或更多个孔口节流器46。在示出的实施例中，存在位于第一回路26中的管线14内或附连到第一回路26中的管线14的孔口节流器。该节流器可至少部分地控制经过第一回路26和第二回路28(在回路中可具有加热器芯32)的流量。孔口节流器可有助于防止系统中的流动冲蚀。还可存在被包括在TMS 10中的脱气瓶48(例如，结合到散热器34)。示出的和描述的组件并不意图为限制性的，可包括可能是冷却液系统的部分的其它组件。如上所述，考虑到本公开，本领域普通技术人员可基于车辆和TMS的设计而重新布置或重新构造该系统的组件。
TMS 10的组件可连接到控制器或电结合到控制器。例如，燃料电池堆、温度传感器、电动泵和阀可连接到控制器或多个控制器和由控制器或多个控制器控制。相应地，系统内各个位置的冷却液的温度、流量或其它特性可由控制器接收并处理/分析。控制器还可接收和/或计算关于车辆工况(诸如速度或加速度)的信息。从而，控制器可基于接收的或计算的/估计(例如，基于模型)的信息来计算TMS 10和/或燃料电池堆12的某些参数。
通过计算或估计TMS 10的某些参数，可以减少传感器或其它组件的数量。例如，虽然温度传感器可被设置在该系统中的每个热负载的入口和出口处，但是传感器的数量可减少到(例如)燃料电池堆12的入口13和出口15处的两个温度传感器(例如，如图1所示)。随后可基于其它已知值或计算来估计位于TMS 10其它位置的冷却液温度。例如，可基于燃料电池堆12的入口/出口处的冷却液温度和车辆工况(例如，当冷却液正在流经第三冷却回路30时)来计算或估计散热器出口处的冷却液温度。
可基于燃料电池堆12的入口/出口处的冷却液温度和车辆工况(例如，当冷却液正流经第一冷却回路26和/或第二冷却回路28时)而类似地计算或估计PCM 16的内部温度(可称为蓄热能电池24的“蓄热状态(state of charge)”)。控制器可基于模型并基于诸如PCM16、冷却液、管线14、加热器芯32和/或散热器34的热特性(例如，热导率、熔化热、热容量等)和物理特性(例如，尺寸、形状、几何结构、流量等)以及关于燃料电池堆12的热排放的特性的信息而计算或估计这些值。相应地，通过监测少数位置(例如，二个或三个位置)处的冷却液温度，可准确地估计TMS 10的其它组件处的温度并可减少传感器的数量。减少传感器的数量可以使TMS 10不那么复杂、体积更小并且成本更低。
参照图2，示出了蓄热能电池24的实施例的示意图。如上所述，蓄热能电池24包括壳体18。如图2所示，壳体可以是圆筒状的，然而壳体可具有任意其它合适的形状。例如，壳体18可以是矩形棱柱形的(例如，盒形)或其它类型的棱柱形的，或者壳体可具有不规则形状。根据PCM的状况/状态，壳体18可以是绝热的或为了绝热而真空密封的，以防止从PCM损失热/能或从PCM获取热/能。PCM 16可松散地储存(stored loose)在壳体18内或可封装在另一材料内。如果PCM 16松散地储存，则PCM和壳体材料可选择为使得它们之间不发生腐蚀或劣化。可选地，壳体18可具有防止与PCM接触的衬套或涂层。
在其它实施例中，在壳体18内PCM 16可被封装起来。在一个实施例中，可存在一个或仅几个(例如，2到4个)PCM隔间或封装部，其中，相对大量的PCM储存在每个封装部中。在另一实施例中，PCM可被封装在多个较小的胶囊中，例如，至少5、10、15、25或50个胶囊。之后，被封装后的PCM可称为珠或微胶囊。在这些实施例的任意一个中，封装材料可以是不与PCM反应并且还具有高于PCM的熔化温度以及高于将进入蓄热能电池24的冷却液的最大温度的温度的任意材料。封装材料可以是聚合物、金属或陶瓷。在至少一个实施例中，封装材料可以是良好的导热体，用于将热能从PCM传递到冷却液或从冷却液传递出热能。封装材料可以是刚性的或柔性的。
可存在延伸通过壳体18或在壳体18内延伸的一个或更多个管道50。管道50可接收来自壳体入口(未示出)的冷却液并最终将冷却液输送到出口(未示出)。在图2中，存在竖直延伸通过壳体18的多个管道50。相应地，冷却液可分流到多个管道中，随后重新合流以输送到出口外。在其它实施例中，可存在单个或多个管道(例如，2到4个)，但它们可能弯曲通过壳体18而不基本上直线地延伸通过壳体18。例如，管道可具有迂回的(tortuous)路径，诸如弯曲或蜿蜒的路径，在其中管道自身来回往返以增大暴露到PCM(松散的或封装的)的表面积。因此，无论是通过多个管道还是通过弯曲的管道(或两者)，管道50都可允许冷却液长时间暴露到PCM，以在冷却液与PCM之间传递热能。
虽然示出和描述了蓄热能电池24的多个实施例，但可存在其它构造。在共同拥有的美国专利US 8,661,800(发布于2014年3月4日)、US 8,794,195(发布于2014年8月5日)和US 8,839,613(发布于2014年9月23日)中描述了相变材料和蓄热能电池的其它构造，它们的公开内容通过在此引用而全部包含在本公开中。其中公开的相变材料系统的任何部分(或全部)可被包含在本公开中。
参照图3，示出了描述用于操作TMS 10的算法100的示例的流程图。算法100中的步骤可由一个控制器或多个控制器(例如，包括CPU/微处理器和存储器)执行。该算法可存储在非暂时性存储器中。在步骤102中，可以估计(例如，通过控制器)散热器出口处的冷却液温度和/或PCM的内部温度。如上所述，可基于由温度传感器测量的燃料电池堆的入口/出口温度以及基于车辆工况和/或其它因素来估计这些温度。这些值可用于确定TMS的散热潜力(heat sink potential)，例如，能够被释放以对燃料电池堆进行加热的热量/能量或能够从燃料电池堆吸收或提取的到PCM和/或散热器的热量/能量。
在步骤104中，可以确定系统的热排放需要。这可包括燃料电池热负载、蓄热能电池的蓄热状态(例如，内部温度)、来自加热器芯的需求、或其它。可由控制器基于系统组件的物理特性和热特性、燃料电池堆的特性和上面描述的温度数据来确定这些值。
在步骤106中，(例如，通过控制器)对是否期望或需要正的热排放进行确定。如果燃料电池堆以超过目标运行温度的温度运行，则可能期望或需要正的热排放，该目标运行温度可以是最佳运行温度或接近/处于最大运行温度。例如，氢质子交换膜燃料电池(hydrogen PEMFC)的最大或高级别运行温度可以为大约95℃。然而，最大温度可根据燃料电池设计而变化。
如果在步骤106中不期望或不需要正的热排放(例如，期望或需要负的热排放状态)，则在步骤108中可从蓄热能电池释放热以提高燃料电池堆的温度。换一种说法，如果(例如)在冷启动期间或在低温下，在燃料电池堆中期望或需要额外的热能，则蓄热能电池可用于对燃料电池堆进行加热。热或能可通过使冷却液循环经过蓄热能电池(在其中冷却液可从PCM吸收热)随后经过燃料电池堆(在其中热可被冷却液释放并被燃料电池堆吸收)而从蓄热能电池传递到燃料电池堆。冷却液的这种输送的示例在上文和图1中被描述为第一冷却回路26。如果燃料电池堆在最佳温度处运行或在最佳温度附近运行，并且不需要任何额外热能或不需要排放任何热能，则该算法可结束(例如，没有冷却液流动)。
如果在步骤106中期望或需要正的热排放(例如，正的热排放状态)，则在步骤110中可确定蓄热能电池是否低于其目标内部温度(蓄热状态)。如果蓄热能电池低于其目标内部温度，则在步骤112中热能可传递给蓄热能电池以提高其内部温度，或对蓄热能电池“蓄热(charge)”。这可以以与步骤108相似的方式执行，在步骤108中冷却液输送经过蓄热能电池和燃料电池堆。然而，与步骤108不同的是，在步骤112中燃料电池堆可提供被冷却液吸收的热能，并且在冷却液循环经过PCM时PCM可从冷却液吸收热能。
如果在步骤110中蓄热能电池处于或高于其目标内部温度，则在步骤114中可确定散热器或热交换器能否满足燃料电池堆的热排放需要。这可基于散热器或热交换器的已知特性(例如，尺寸、几何特征、热特性)、冷却液流量、冷却液温度、散热器的当前温度或其它因素来确定。如果散热器不能满足热排放需要，则在步骤116中多余的热能可传递给蓄热能电池。这可通过将冷却液的至少一部分输送经过蓄热能电池来执行，使得PCM可从由燃料电池堆所产生的多余热中吸收一些热能。冷却液的这种输送的示例在上文和图1中被描述为第三冷却回路30。这可将蓄热能电池的内部温度提高到其目标温度以上。然而，可存在高于蓄热能电池的目标温度但低于其最大温度的温度范围(在该范围内运行是可以接受的)。
如果散热器或热交换器能够满足热排放需要，则在步骤118中散热器可用于将多余的热能从燃料电池堆散出。散热器可用于散出全部或基本上全部的多余的热能。这可通过将冷却液输送经过散热器和燃料电池堆但绕开蓄热能电池(例如，使用三通阀)来执行。这种输送冷却液的示例在上文和图1中被描述为第三冷却回路30。
在步骤120中，可确定散热器或热交换器是否具有超出燃料电池堆的当前热排放的多余冷却容量。如果不具有多余冷却容量，则所述算法可在步骤122中结束。如果存在多余冷却容量，则在步骤124中可确定蓄热能电池是否需要冷却或可从冷却中获益。如上所述，在某些情况下，例如，如果散热器不能操控燃料电池堆的热排放需要，则蓄热能电池可被加热到其目标内部温度以上。如果蓄热能电池不需要冷却或从冷却中获益，则该算法可在步骤126中结束。然而，如果蓄热能电池需要冷却或从冷却中获益，则在步骤128中散热器的多余冷却容量可用于对蓄热能电池进行冷却。这可通过允许冷却液流经散热器和蓄热能电池(诸如流经第三冷却回路30)来执行。
除了上述步骤以外，如果在车厢中在任意位置需要额外的热并且存在来自蓄热能电池、燃料电池堆和/或散热器的多余的热能，则可将多余的热能散给TMS中的加热器芯。加热器芯可连接或结合到车辆的气候控制系统并且来自其它组件的热能可用于提高车厢的空气温度。控制器可确定车厢温度是否低于某一阈值，如果车厢温度低于某一阈值，则控制器可控制TMS中的冷却液的流动以使加热器芯温度提高。这可用于在低温下的启动期间对车厢进行加热。当燃料电池堆以最佳运行温度运行或在最佳运行温度以上运行时，这还可用于补充或取代传统的变热过程。通常，与峰值燃料电池热排放需求相比，乘客的热需求可能相对较小。因此，在一些实施例中，可忽视来自加热器芯的热排放并且控制器可不将加热器芯的热排放用作控制输入或目标。
虽然上文描述了示例性实施例，但是并不意味着这些实施例描述了本发明的所有可能的形式。说明书中使用的词语为描述性而非限定的词语，并且应理解，在不脱离本发明的精神和范围的情况下可作出各种改变。此外，可组合多个执行的实施例的特征以形成本发明的其它实施例。

Claims (11)

1.一种燃料电池热管理系统，包括：
燃料电池堆；
热交换器；
蓄热能电池，包括具有熔化温度为50℃-120℃的材料；
第一冷却液回路，包括燃料电池堆和蓄热能电池而不包括热交换器；
第二冷却液回路，包括燃料电池堆、蓄热能电池和热交换器；
所述第一冷却液回路和所述第二冷却液回路被构造为分别加热和冷却所述燃料电池堆。
2.如权利要求1所述的燃料电池热管理系统，还包括第三冷却液回路，所述第三冷却液回路包括燃料电池堆、蓄热能电池和结合到气候控制系统的加热器芯，所述第三冷却液回路被构造为将热从蓄热能电池传递到加热器芯。
3.如权利要求1所述的燃料电池热管理系统，还包括第一温度传感器和第二温度传感器，所述第一温度传感器被配置为测量冷却液进入燃料电池堆的入口温度，所述第二温度传感器被配置为测量冷却液离开燃料电池堆的出口温度。
4.如权利要求3所述的燃料电池热管理系统，其中，所述第一温度传感器和所述第二温度传感器是所述燃料电池热管理系统中仅有的冷却液温度传感器。
5.如权利要求1所述的燃料电池热管理系统，其中，所述材料具有至少100kJ/kg的熔化潜热。
6.如权利要求1所述的燃料电池热管理系统，还包括仅被包括在所述第二冷却液回路中的第一泵和设置在燃料电池堆的入口的上游的第二泵。
7.如权利要求1所述的燃料电池热管理系统，其中，所述第一冷却液回路包括位于蓄热能电池的下游且在燃料电池堆的入口的上游的孔口节流器。
8.如权利要求1所述的燃料电池热管理系统，还包括位于蓄热能电池的下游并被构造为将冷却液引导到第一冷却液回路或第二冷却液回路的三通阀。
9.如权利要求1所述的燃料电池热管理系统，其中，所述第一冷却液回路被构造为：在燃料电池堆低于目标运行温度时加热燃料电池堆，而在燃料电池堆高于所述目标运行温度时冷却所述燃料电池堆。
10.一种燃料电池热管理系统，包括：
燃料电池堆；
热交换器；
蓄热能电池，包括具有超过100kJ/kg的熔化潜热的材料；
第一冷却液回路，包括燃料电池堆和蓄热能电池；
第二冷却液回路，包括燃料电池堆、蓄热能电池和结合到气候控制系统的加热器芯；
第三冷却液回路，包括燃料电池堆、蓄热能电池和热交换器。
11.一种燃料电池热管理系统，包括：
燃料电池堆；
热交换器；
蓄热能电池；
处理器，被配置为：基于燃料电池堆的负的热排放状态，引导冷却液以将热从蓄热能电池传递到燃料电池堆，而基于燃料电池堆的正的热排放状态，在蓄热能电池低于目标温度时，引导冷却液以将热从燃料电池堆传递到蓄热能电池。
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