[发明专利]燃料电池车辆中用于优化执行加热任务的设备

说明书

技术领域

本发明涉及燃料电池系统，更具体来说，涉及燃料电池车辆 中用于优化执行加热任务的设备和方法。

背景技术

燃料电池作为清洁、高效和环保可靠能源已经用于电动车辆 和各种其它应用。具体来说，燃料电池已经成为现代车辆中使用的传统 内燃机的潜在替代物。已知的一种燃料电池是质子交换膜(PEM)燃料 电池。各个燃料电池可以串联堆叠在一起来形成燃料电池堆。燃料电池 堆能够供应足够的电量来给车辆提供动力。

氢是非常引人的燃料，因为它以反应为水的清洁方式被消 耗，并可以在燃料电池中用于有效发电。氢燃料电池是电化学装置，包 含阳极、阴极以及其间的电解质。阳极接收氢气并且阴极接收氧气或空 气。氢气在阳极上离解以产生自由质子和电子。质子通过电解质到达阴 极。质子在阴极上与氧和电子反应生成水。来自阳极的电子不能通过电 解质，并因此在送至阴极之前被引导通过负载来执行工作。

质子交换膜燃料电池(PEMFC)是非常普遍的用于车辆的燃 料电池。PEMFC通常包含固体聚合物电解质质子传导膜，例如全氟磺酸 膜。阳极和阴极通常包含细分的催化剂颗粒，通常是铂(Pt)，支撑在 碳颗粒上并与离聚物混合。催化剂混合物沉积在膜的两侧上。阳极催化 剂混合物、阴极催化剂混合物以及膜的组合限定膜电极组件(MEA)。

几个独立燃料电池通常组合在燃料电池堆中来产生所需动 力。对于上述汽车燃料电池堆，其可以包含两百个或更多的燃料电池。 燃料电池堆接收阴极反应气体，通常是利用压缩机强制通过燃料电池堆 的空气流。不是所有的空气被燃料电池堆消耗，一些空气作为阴极废气 输出，其可包含作为燃料电池堆副产物的水。燃料电池堆还接收阳极反 应气体，例如流入燃料电池堆阳极侧的氢。

燃料电池堆包含一系列双极板，位于燃料电池堆的几个MEA 之间，其中双极板和MEA位于两个端板之间。双极板包含阳极侧和阴极 侧，用于燃料电池堆中相邻的燃料电池。阳极气体流道设置在双极板的 阳极侧上，使阳极反应气体流至相应的MEA。阴极气体流道设置在双极 板的阴极侧上，使阴极反应气体流至相应的MEA。一个端板包含阳极气 体流道，另一个端板包含阴极气体流道。双极板和端板由导电材料制成， 例如不锈钢或导电复合物。端板将燃料电池产生的电力导出燃料电池 堆。双极板还包含冷却流体流动通过的流道。

燃料电池车辆中的高温冷却回路(HT loop)用于几个目的， 包含但不限于： 1.通过供给具有特定温度和流速的冷却剂进入燃料电池堆来为燃 料电池堆自身提供所需冷却剂出口/入口温度； 2.提供所需冷却剂入口温度和至舱热交换器的流；和 3.提供所需冷却剂入口温度和至电冷却剂加热器的流，其在模拟 发动机制动操作过程中消散多余电能。

燃料电池堆冷却剂流和冷却剂入口温度可以取决于操作条 件，例如燃料电池堆温度、燃料电池堆负载等。

如果需要舱热交换器的全面性能，例如用于风挡除霜操作， 可能需要入口温度明显大于燃料电池堆冷却剂出口温度，但是所需流会 比较小。然而，HVAC单元的封装空间要求通常不允许这样的舱热交换 器芯设计，其可以处理所有离开燃料电池堆的冷却剂流。虽然希望利用 燃料电池堆散发的热来加热舱，但是如果燃料电池堆负载很小，通常需 要另外的加热器来最大化冷却剂温度。

发明内容

本发明克服了燃料电池系统加热问题，包含现有系统经受的 舱热问题。虽然本发明论述了PEMFC系统，但是本发明可以用于任何燃 料电池装置。

在一个实施例中，本发明涉及一种加热系统，用于优化执行 燃料电池车辆中的加热任务。该系统包括燃料电池堆冷却剂回路，燃料 电池堆冷却剂回路包含燃料电池堆、主泵和散热器模块(radiator module)。旁路冷却剂回路与燃料电池堆冷却剂回路并行设置并且相连， 优选在燃料电池堆和散热器模块之间。旁路回路包含至少一个加热器和 当需要时将冷却剂泵送通过加热器的副泵。旁路回路通常包含至少两个 加热器：电冷却剂加热器(electrical coolant heater)和冷却剂至 舱空气热交换器(coolant to cabin air heat exchanger)。

附图说明

通过以下详细说明并结合附图，本发明的上述以及其它优点 对于本领域技术人员会变得显而易见。