CN116529919A - 用于冷却燃料电池组件的系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及冷却系统，用于冷却运输交通工具、诸如飞行器的燃料电池组件(10)，包括：冷却流体循环环路(20)；冷却热交换器(24)，被配置为能够在所述环路(20)和用于循环冷却空气(26)的通道(25)之间提供热交换；变速泵(21)，用于依据表示所述燃料电池组件的冷却需求的测量，向所述冷却环路供应冷却流体；三通阀(12a，12b，12c)，用于针对所述电池组件的每个燃料电池(10a，10b，10c)，依据表示该每个电池的冷却需求的测量，调节供应该每个电池的冷却流体的流速。

Description

用于冷却燃料电池组件的系统和方法

技术领域

本发明涉及用于冷却燃料电池组件的系统，该燃料电池组件旨在被安装在运输交通工具中，特别是被安装在航空运输交通工具诸如飞行器中。本发明还涉及用于冷却燃料电池组件的方法。

背景技术

如今，向运输交通工具提供燃料电池具有日益增长的趋势，特别是向飞行器提供燃料电池，因为这些电池形成了清洁、可靠和灵活的能源。

燃料电池(也被称为缩写FC)诸如氢电池的原理基于：在电流(电解)的作用下，将水分离成二氢和二氧。这两个分子形成化学燃料，其中，能量可以存储在燃料电池应用中。由这样的燃料电池确保的第二反应允许该过程被逆转，并允许从这两种燃料产生电。

在航空应用中，所描述的电解反应通常当场进行，使得氢气直接被装载在专用箱中，并且二氧由从飞行器外面吸入的空气供应。

因此，这样的燃料电池是具有两个电极的发电机，该发电机例如，允许通过在一个电极上的还原燃料诸如氢气的氧化作用，加之在另一电极上的氧化剂诸如来自空气的氧气的还原作用，生成电能。

电池的氧化还原反应不仅允许生成电，还允许生成副产物，诸如水、热量和去氧的空气。

因此，有必要提供用于冷却燃料电池的系统，以排放由电池释放的热量。特别地，可以认为对于产生的1kW的电，燃料电池会散发1kW的热量。

当前在航空领域中使用的排放这种热量的解决方案之一是提供与外部空气热相互作用的冷却液循环回路，外部空气的流速是为了对应于观察到的最大外部温度的电池的全功率设定的。液体可以通过根据待冷却电池的功率控制的泵而在环路中循环。

在燃料电池并联或串联安装的燃料电池组件的情况下，有必要为每个电池提供冷却系统，并且特别是每个电池的控制泵，并且有必要根据最大功率水平下电池的全功率设定系统的尺寸。

这种解决方案似乎不是最优的，特别是当不同的电池彼此处于差异较大的功率水平时。

发明人寻求开发用于燃料电池组件的优化冷却的冷却系统，该冷却系统克服了已知解决方案的至少一些缺点。

发明内容

发明目的

因此，本发明旨在提供用于冷却燃料电池组件的冷却系统，该冷却冷却系统至少克服了已知的、特别是用于机载航空应用的冷却系统的至少一些缺点。

本发明还旨在在至少一个实施例中提供冷却系统，该冷却系统与已知系统相比具有减小的尺寸。

本发明特别旨在在至少一个实施例中提供冷却系统，该冷却系统可以应用于电池组件，该电池组件中的每个电池能够提供彼此非常不同的功率水平。

本发明特别旨在在至少一个实施例中提供冷却系统，该冷却系统不需要用于每个电池的专用控制泵。

本发明还旨在提供用于冷却燃料电池组件的冷却方法。

为此，本发明涉及用于冷却运输交通工具、诸如飞行器的燃料电池组件的冷却系统，该冷却系统包括：

-冷却流体循环环路，被称为冷却环路，

-冷却热交换器，被配置为能够在所述冷却环路和通道之间提供热交换，通道用于循环从运输交通工具外面吸入的冷却空气，

根据本发明的冷却系统的特征在于，该冷却系统还包括设置在所述冷却环路上的：

-变速泵，用于依据表示所述燃料电池组件的冷却需求的测量，向所述冷却环路供应冷却流体，

-三通阀，针对所述电池组件的每个燃料电池，三通阀用于依据表示该电池的冷却需求的测量，调节供应该电池的冷却流体的流速。

因此，根据本发明的系统包括单个冷却环路，单个冷却环路由依据表示电池组件的冷却需求的测量控制的单个泵供应冷却流体。此外，由控制阀向电池组件的每个电池供应冷却流体，控制阀被设置在冷却环路上并依据表示该电池的冷却需求的测量来控制。

换句话说，根据本发明的冷却系统将依据电池组件的冷却需求的测量的电池组件的整体控制与依据每个电池的冷却需求的每个电池的局部控制相结合。

这种特定的架构允许仅使用用于供应冷却环路的单个泵以进行整体控制，并且允许每个电池使用一个控制阀以进行局部控制。

此外，提供有单个泵和多个三通阀的该架构确保了对多个燃料电池的冷却的优化控制，单个泵用于调节整体流速，多个三通阀用于调节局部流速，多个燃料电池可以提供彼此非常不同的功率水平。

换句话说，本发明允许控制电池组件所需的总冷却功率，而无关于电池是如何设置的以及电池产生的功率如何。

有利地并且根据本发明，该冷却系统还包括：三通阀，被称为旁通阀，被设置所述冷却环路上位于热交换器上游，并与热交换器的旁通导管相关联，以便能够在所述电池组件上游调节冷却流体的温度。

这种有利的变体允许在电池组件上游调节冷却流体的温度，而无关于在冷却空气循环通道中循环的冷却空气的温度。事实上，控制旁通阀允许控制与冷却空气进行热交换的冷却流体的量，并因此允许控制冷却流体的温度，所述冷却流体供应不同的三通阀，该不同的三通阀控制燃料电池组件的不同电池。

换句话说，冷却流体流速由变速泵设定，变速泵由表示电池组件的冷却需求的测量控制，以及冷却流体的温度由旁通阀设定。

本发明还允许使用加热模式，在加热模式中，电池组件中的至少一个电池通过控制三通阀来加热其它电池。

有利地并且根据本发明，该系统还包括：计算机，用于控制所述变速泵、三通控制阀组件和所述旁通阀。

根据该变体，计算机被配置用于确定电池的损失的总功率，并且被配置用于限定在冷却环路中的冷却流体的必要总流速和电池组件的不同电池的输入温度。因此，计算机确保分别与电池组件的每个电池相关联的泵、旁通阀和不同的三通阀的控制。

有利地并且根据本发明，该冷却系统还包括：至少一个温度传感器，被设置在所述燃料电池组件的每个燃料电池的输出处，以便能够提供在电池输出处的冷却流体的温度测量，从而形成表示该每个电池的冷却需求的所述测量。

根据该变体，表示电池组件的每个电池的冷却需求的测量是在电池输出处的温度测量。因此，这种温度测量允许计算机调节发送到每个电池的流量，以保持目标温度。

有利地并且根据本发明，该系统还包括：至少一个温度传感器，被设置在冷却环路上位于所述燃料电池组件上游，以便能够提供冷却环路的冷却流体的温度测量，从而形成表示所述电池组件的冷却需求的所述测量。

根据该变体，表示电池组件的冷却需求的测量是在所述电池组件上游的冷却环路的冷却流体的温度测量。因此，这种温度测量允许计算机调节电池的输入温度。

本发明还涉及用于冷却运输交通工具诸如飞行器的燃料电池组件的冷却方法，包括以下步骤：

-在被称为冷却环路的环路中循环冷却流体，

-在所述冷却环路的所述冷却流体和从运输交通工具外面吸入的空气之间交换热量，

根据本发明的方法的特征在于，该冷却方法还包括以下步骤：

-依据表示所述燃料电池组件的冷却需求的测量，调节在所述冷却环路中循环的冷却流体的所述流速，

-依据表示该电池的冷却需求的测量，调节从所述冷却环路供应每个燃料电池的冷却流体的流速。

根据本发明的冷却方法有利地由根据本发明的冷却系统实施，并且根据本发明的冷却系统有利地实施根据本发明的冷却方法。根据本发明的冷却系统的技术效果和优点经必要修改后适用于根据本发明的冷却方法。

有利地并且根据本发明，该冷却方法还包括以下步骤：通过调节与从运输交通工具外面吸入的所述冷却空气进行热交换的流体的流速，调节在所述燃料电池组件上游的所述冷却流体的温度。

根据该变体的冷却方法有利地由根据本发明的装备有旁通阀的冷却系统实施。根据本发明的该变体的、装备有旁通阀的冷却系统的技术效果和优点经必要修改后适用于根据本发明的该变体的冷却方法。

有利地并且根据本发明，针对所述电池组件的每个燃料电池，表示该每个燃料电池的冷却需求的所述测量包括：在该每个电池的输出处的冷却流体的温度的测量。

根据该变体的冷却方法有利地由装备有温度传感器的冷却系统实施，该温度传感器被设置在所述电池组件的电池的输出处。根据本发明的该变体的、在电池的输出处装备有温度传感器的冷却系统的技术效果和优点经必要修改后适用于根据本发明的该变体的冷却方法。

本发明还涉及串联(由不同的电池提供的相同电流)或并联(由不同的电池提供的相同电压)安装的燃料电池的燃料电池组件，或具有串联和并联安装的电池的组合的组件，它们的特征在于，这些组件由根据本发明的冷却系统冷却。

根据本发明的冷却系统的技术效果和优点经必要修改后适用于根据本发明的燃料电池组件。

本发明可以用于主发电(例如，在一些飞机负载的启动期间的功率峰值)或用于辅助发电(例如，在炎热条件下供应辅助系统)或用于推进应用本身。

本发明还涉及运输交通工具，诸如飞行器，其特征在于，该运输交通工具包括根据本发明的燃料电池组件。

根据本发明的冷却系统和根据本发明的电池组件的技术效果和优点经必要修改后适用于根据本发明的运输交通工具，诸如飞行器。

根据本发明的飞行器可以装备有由根据本发明的冷却系统冷却的燃料电池组件，以用作主发电、辅助发电或甚至推进发电，或者这些各种用途的组合。

本发明还涉及用于冷却燃料电池组件的冷却系统和方法、燃料电池组件和运输交通工具，诸如飞行器，它们的特征在于由上述或以下提到的全部或一些特征组合而成。

附图说明

本发明的其它目的、特征和优点将通过阅读以下描述而变得显而易见，该描述仅以非限制性方式给出，并参考以下附图：

图1是根据本发明的一个实施例的用于冷却燃料电池组件的系统的示意图，

图2是根据本发明一个实施例的用于冷却燃料电池组件的方法的示意图。

具体实施方式

在图中，为了说明和清楚起见，没有严格遵守尺寸和比例。

图1示意性地示出了根据本发明的一个实施例的用于冷却燃料电池组件10的系统。

根据本发明的实施例，该燃料电池组件10包括三个电池10a、10b、10c。每个电池10a、10b、10c以传统方式(图中未示出)包括阳极和阴极，阳极具有旨在被供应燃料流体的阳极输入和旨在提供阳极生成流体的阳极输出，阴极具有旨在被供应氧化剂流体的阴极输入和旨在提供阴极生成流体的阴极输出。

根据本发明的冷却系统旨在冷却燃料电池组件的每个电池的阳极和/或阴极。在阳极和/或阴极与冷却流体之间的热交换可以通过下述项来实现：热交换器，放置在每个电池的阳极和/或阴极旁边的散热板、诸如双极板，或任何等效装置。在图1中，仅显示了与根据本发明的冷却系统有关的电池组件的主要元件。

因此，所述冷却系统包括被称为冷却环路的冷却流体循环环路20。该冷却环路20由变速泵21供应冷却流体，例如传热液体。

因此，泵21允许调节在冷却环路20中循环的冷却流体的流速。

变速泵21由计算机30根据表示冷却需求的测量、诸如对冷却流体的温度的测量来控制，所述温度的测量由设置在冷却环路20上、位于电池组件10上游且位于变速泵21下游的传感器22提供。

图1中的虚线示意性地示出了控制信号，该控制信号从计算机30朝向计算机30控制的装置。

传感器22可以是任何已知类型，并且被配置为通过通信装置向计算机30发送温度测量，为了清楚起见，通信装置在图中未示出。测量可以通过有线装置、无线装置或有线和无线装置的组合发送到计算机。

因此，传感器22向计算机30提供表示燃料电池组件10的冷却需求的信息，并确保实际上实现了温度方面的目标。

此外，每个电池10a、10b、10c经由导管13a、13b、13c和三通控制阀12a、12b、12c连接到冷却环路20，三通控制阀12a、12b、12c被设置在冷却环路20上。

每个控制阀12a、12b、12c由计算机30根据冷却流体的温度的测量来控制，所述温度的测量由传感器11a、11b、11c供应，这些传感器11a、11b、11c设置在电池10a、10b、10c的输出处、设置在朝向冷却环路20的回流导管14a、14b、14c上并且位于电池组件10下游。

这些传感器11a、11b、11c可以是任何已知类型，并且被配置为通过通信装置向计算机30发送温度测量，为了清楚起见，通信装置在图中未示出。测量可以通过有线装置、无线装置或有线和无线装置的组合发送到计算机。

传感器22向计算机提供表示电池组件的冷却需求的信息，同时传感器11a、11b、11c各自提供表示单独获取的每个电池的冷却需求的信息。

根据未示出的其它变体，表示冷却需求的信息还可以由除了温度传感器以外的装置提供。

这种特定的结构允许仅使用用于供应冷却环路的单个泵，以进行整体控制，并且允许每个电池使用一个控制阀，以进行局部控制。

根据本发明的系统还包括冷却热交换器24，冷却热交换器24被配置为在冷却流体和冷却空气之间提供热交换，冷却流体在冷却环路20中循环，冷却空气从运输交通工具外面被吸入并在空气循环通道25中循环。

图1中的箭头26示意性地示出了从运输交通工具外面被吸入的冷却空气。在飞行器的情况下，这种空气是动态空气，更常见地以“RAM空气”或“冲压空气”著称，即，按字面是“外部空气”，该外部空气因飞行器的速度而进入飞行器的适当开口，并经由循环通道25被输送到交换器24。例如，空气在通道25中的循环可以风扇确保，未在图1中示出。该风扇可以是电动风扇，或由飞行器的涡轮机、诸如空气调节系统的涡轮机的轴承载的风扇。

流速调节阀还允许调制所述系统的空气流速，并确保针对传感器22的第一温度控制水平。

热交换器24可以是任何已知类型，并且在本文不进行详细描述。

根据图1的实施例的冷却系统还包括被称为旁通阀27的三通阀，该三通阀被设置冷却环路20上位于泵21和交换器24之间。

该控制阀27可以向交换器24供应冷却流体，或者供应旁通导管28，该旁通导管28被设置成绕过热交换器24。

该控制阀27由计算机30控制。控制阀27、热交换器24和旁通导管28的组合，允许在电池11a、11b、11c的输入处调节冷却流体的温度，而无关于外部空气的温度。这个组合还允许例如在寒冷天气下的启动期间加热传热流体(诸如乙二醇水——更常见以缩写EGW著称——混合物)的回路。因此，第一电池的温度上升，并且通过绕过主交换器，利用公共回路，在回路中的其它电池被重新加热，直到达到最优使用温度。

根据图1的实施例，冷却系统还包括过滤器29，该过滤器29被配置为过滤冷却流体。过滤器29能够捕获存在于液体环路中的颗粒，这些颗粒可能污染电池。去离子过滤器还可以被设置回路上(图中未显示)，并允许冷却液的介电特性被保持。

根据本发明并且特别是根据图1实施例的系统，允许精确调整每个电池10a、10b、10c的输出温度，而无关于电池的功率瞬态，并且允许在过载或极高温度下操作的情况下防止电池10a、10b、10c过热。

根据本发明的一个实施例，泵21的流速被调整到电池10a、10b、10c的组件10的总冷却需求。该流速在恒定温度下被调节，通过与在通道25中循环的外部空气流交换而实现该恒定温度。

在每个电池10a、10b、10c中的流速被调整以保持温度恒定。

计算机30确保：冷功率需求的确定，泵21的流速控制，借助于由传感器11a、11b、11c和22获取的温度测量的每个电池的温度调节，以及系统的不同阀12a、12b、12c和27的控制。

变速泵21提供了与系统的电池组件10的损失相适应的总流速。

冷却流体的温度通过在交换器24中排放热量来调节，交换器24由外部空气流26冷却，这允许电池的总损失被排放到外面。

计算机30评估电池的总损失功率，并限定电池的冷却流体的必要总流速和输入温度。

三通阀12a、12b、12c各自调节在每个电池中的流体流速，以确保热量的排放并限定在电池的输出处的温度。

泵21的总流速根据电池10a、10b、10c的冷却需求而在电池10a、10b、10c之间分配。因此，每个电池接收保证该电池的期望内部温度所必需的最小流量。

本发明还涉及装备有由根据本发明的冷却系统冷却的燃料电池组件的运输交通工具，特别是铁路、机动或航空交通工具。

本发明还涉及用于冷却运输交通工具、诸如飞行器的燃料电池组件的冷却方法。

在图2中示意性显示的冷却方法包括以下步骤：

-步骤100，在冷却环路20中循环冷却流体，

-步骤110，在冷却环路中循环的冷却流体与从运输交通工具外面吸入的空气26之间交换热量，

-步骤120，依据表示燃料电池组件的冷却需求的测量，调节在冷却环路20中循环的冷却流体的流速，

-步骤130(可选的)，通过调节与从运输交通工具外面吸入的冷却空气进行热交换的流体的流速，调节在燃料电池组件上游的冷却流体的温度，

-步骤140，依据表示每个电池的冷却需求的测量，调节从冷却环路供应该每个燃料电池的冷却流体的流速。

根据本发明的冷却方法有利地由根据本发明的冷却系统实施，并且根据本发明的冷却系统有利地实施根据本发明的冷却方法。

根据本发明的冷却方法和系统确保连接到相同液体环路的多个电池的精确温度控制。此外，根据本发明的冷却方法和系统允许控制电池的组合所需的总冷却功率，而无关于电池是如何设置的以及电池产生的功率如何。

根据本发明的冷却方法和系统不仅限于所描述的实施例和所描述的航空应用。特别地，根据本发明的冷却方法和系统可以应用于任何类型的交通工具，特别是航空、铁路或机动交通工具，并且可以应用于任何类型的应用(主能量的生成、辅助能量的生成或推进能量的生成)。

Claims (9)

1.一种冷却系统，用于冷却运输交通工具、诸如飞行器的燃料电池组件(10)，包括：

-冷却流体循环环路(20)，被称为冷却环路，

-冷却热交换器(24)，被配置为能够在所述冷却环路(20)和通道(25)之间提供热交换，所述通道(25)用于循环从所述运输交通工具外面吸入的冷却空气(26)，

其特征在于，所述冷却系统还包括设置在所述冷却环路(20)上的下述项：

-变速泵(21)，用于依据表示所述燃料电池组件的冷却需求的测量，向所述冷却环路供应冷却流体，

-三通阀(12a，12b，12c)，用于针对所述电池组件的每个燃料电池(10a，10b，10c)、依据表示该每个燃料电池的冷却需求的测量，调节供应该每个燃料电池的冷却流体的流速。

2.根据权利要求1所述的冷却系统，其特征在于，所述冷却系统还包括：三通阀，被称为旁通阀(27)，被设置在所述冷却环路(20)上位于所述热交换器(24)上游，并与所述热交换器的旁通导管(28)相关联，以便能够在所述电池组件(10)上游调节所述冷却流体的温度。

3.根据权利要求2所述的冷却系统，其特征在于，所述冷却系统还包括：计算机(30)，用于控制所述变速泵(21)、所述三通控制阀(12a、12b、12c)组件和所述旁通阀(27)。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的冷却系统，其特征在于，所述冷却系统还包括：至少一个温度传感器(11a，11b，11c)，被设置在所述燃料电池组件(10)的每个燃料电池(10a，10b，10c)的输出处，以便能够提供电池输出处的冷却流体的温度测量，从而形成所述表示该每个燃料电池的冷却需求的测量。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的冷却系统，其特征在于，所述冷却系统还包括：至少一个温度传感器(22)，被设置在所述冷却环路(20)上位于所述燃料电池组件(10)上游，以便能够提供所述冷却环路的所述冷却流体的温度测量，从而形成所述表示所述燃料电池组件的冷却需求的测量。

6.一种冷却方法，用于冷却运输交通工具、诸如飞行器的燃料电池组件(10)，包括以下步骤：

-在被称为冷却环路(20)的环路中循环(100)冷却流体，

-在所述冷却环路(20)的所述冷却流体与从所述运输交通工具外面吸入的空气(26)之间提供(110)热交换，

其特征在于，所述冷却方法还包括以下步骤：

-依据表示所述燃料电池组件的冷却需求的测量，调节(120)在所述冷却环路(20)中循环的所述冷却流体的流速，

-依据表示每个电池的冷却需求的测量，调节(140)从所述冷却环路(20)供应该每个燃料电池(10a，10b，10c)的所述冷却流体的流速。

7.根据权利要求6所述的冷却方法，其特征在于，所述冷却方法还包括以下步骤：通过调节与从所述运输交通工具外面吸入的所述冷却空气进行热交换的流体的流速，在所述燃料电池组件上游调节(130)所述冷却流体的温度。

8.根据权利要求6或7所述的冷却方法，其特征在于，针对所述电池组件的每个燃料电池(10a、10b、10c)，所述表示该每个燃料电池的冷却需求的测量包括：在该每个电池的输出处的冷却流体的温度的测量。

9.一种运输交通工具，诸如飞行器，包括燃料电池组件，其特征在于，所述运输交通工具还包括：根据权利要求1至5中任一项所述的用于冷却所述燃料电池组件的冷却系统。