[发明专利]用于冷却燃料电池的增压空气的冷却方法和系统以及三流体增压空气冷却器

说明书

相关申请的交叉参照

本申请要求了2012年2月27日提交的美国临时专利申请No.61/603,734的优先权和权益，该专利申请内容通过引用被并入本发明的说明书。

技术领域

本发明涉及一种用于车辆燃料电池系统阴极热管理的方法和系统，并且涉及三流体增压空气冷却器，所述三流体增压空气冷却器可以在所述方法和系统中应用，而且适于在需要气体冷却的其他系统中应用。

背景技术

燃料电池的阴极使用加压增压空气，所述增压空气通过空气压缩机被提升至燃料电池的操作压力。在压缩过程中，空气能够被加热至大约200℃或更高的温度，该温度显著高于燃料电池的操作温度。因此，在加压增压空气抵达燃料电池堆并且在加压增压空气到达可串联在空气压缩机和燃料电池堆之间的湿度调节器之前，使用增压空气冷却器来将加压增压空气冷却至期望的温度。

传统的阴极热管理系统使用液体－空气增压空气冷却器从增压空气移除热。液体冷却剂是循环通过燃料电池冷却系统的典型的水或水－乙二醇混合物。被液体冷却剂吸收的热随后通过车辆前端的换热器(例如散热器)被排放至大气。燃料电池引擎本身也产生废热，由于相对低的电池堆操作温度因此这种废热是低温位的热。这种低温位的热的排放典型地需要相对大的散热器，且通过该同一个散热器排出的来自增压空气冷却器的附加热负载迫使散热器尺寸进一步增加，以至于散热器可能难以安装在车辆的前端空间内。因此，对增压空气的冷却给燃料电池冷却系统造成了附加的负担，并使已经有限的空间内的安装复杂化。图1A显示了该现有技术的阴极热管理系统的一个示例。

需要用于阴极热管理系统的可替代方法以便减少燃料电池冷却系统上的热负载，同时保证增压空气被冷却至合适的温度。此外，期望减少燃料电池引擎冷却过程中的寄生能量损失。

发明内容

一方面，本发明提供了一种用于在燃料电池系统中冷却加压阴极空气气流的方法，所述燃料电池系统包括：燃料电池堆，包括气－气增压空气冷却器的第一增压空气冷却器，气－气湿度调节器，以及第二增压空气冷却器。所述方法包括：(a)提供具有第一温度(T₁)的所述加压阴极空气气流；(b)使所述加压阴极空气气流通过所述第一增压空气冷却器并与来自所述燃料电池堆的阴极废气流发生热交换，其中，在所述第一增压空气冷却器的进口处，所述阴极废气流具有第二温度(T₂)，且在所述第一增压空气冷却器的出口处，所述加压阴极空气气流被冷却至第三温度(T₃)；(c)使所述加压阴极空气气流通过所述第二增压空气冷却器，并与在液－气增压空气冷却器的冷却剂进口处具有第四温度(T₄)的液体冷却剂或气体冷却剂发生热交换，其中，在所述第二增压空气冷却器的出口处，所述加压阴极空气气流被冷却至第五温度(T₅)；(d)使所述加压阴极空气气流以及所述阴极废气流通过所述气－气湿度调节器，其中，在所述湿度调节器中，水蒸气从阴极废气流转移给加压阴极空气气流；以及(e)将所述加压阴极空气气流运送至所述燃料电池堆的阴极空气进口。所述阴极废气流在穿过所述第一增压空气冷却器之前穿过所述气－气湿度调节器；且其中，所述加压阴极空气气流在通过所述第二增压空气冷却器之后，并在进入所述燃料电池堆的阴极空气进口之前穿过所述湿度调节器。

在一个实施例中，在正常操作状态下温度T₂<T₃<T₁且/或T₄<T₅<T₃。

在一个实施例中，在所述气－气湿度调节器的进口处所述阴极废气流具有第六温度(T₆)，且其中，在所述气－气湿度调节器的出口处所述加压阴极空气气流具有第七温度(T₇)，其中，在正常操作状态下T₅<T₇<T₆。另外，在一些实施例中，在正常操作状态下T₂<T₆。

在一个实施例中，所述第二增压空气冷却器是液－气增压空气冷却器，且其中，所述液体冷却剂从燃料电池系统内的一个或其他多个热源吸收热。

在一个实施例中，通过第一增压空气冷却器从加压阴极空气气流移除的热能的量要大于通过第二增压空气冷却器从加压阴极空气气流移除的热能的量。