專利名稱：用于燃料電池車輛的氫氣循環(huán)風(fēng)機(jī)的冷卻裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種燃料電池車輛的氫氣循環(huán)風(fēng)機(jī)的冷卻裝置，本發(fā) 明更特別涉及這樣一種燃料電池車輛的氫氣循環(huán)風(fēng)機(jī)的冷卻裝置，其 通過將燃料電池中用作燃料的一部分氫氣提供給風(fēng)機(jī)殼體，可提高電 機(jī)的冷卻效率并確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
背景技術(shù)：
通常，用作燃料電池車輛主動力源的燃料電池，通過使大氣中的 氧和存儲在燃料罐中的氫氣結(jié)合而產(chǎn)生電。
圖1是燃料電池車輛的燃料電池系統(tǒng)的示意圖。燃料電池10包括 隔板11、陽極12、電解質(zhì)膜13、陰極14、氫氣/氧/冷卻劑分配結(jié)構(gòu)15、 陽極流場16、陰極流場17和冷卻劑流場18。
在燃料電池10的工作過程中，通過氫氣供應(yīng)電磁閥20和管38將 氫氣從氫氣供應(yīng)源19提供給燃料電池10的陽極流場16。
在排氣閥21閉合的狀態(tài)下，通過氫氣循環(huán)風(fēng)機(jī)22的工作，燃料 電池10中未反應(yīng)的氫氣被循環(huán)到管23，然后通過氫氣循環(huán)風(fēng)機(jī)22和 氫氣循環(huán)控制閥24返回到燃料電池10的陽極流場16中，因而提高了 氫氣的利用率。
將氫氣排氣閥21打開預(yù)定時間以排出流過電解質(zhì)膜13的氮?dú)夂?濕氣。
通過管25將氧氣從空氣46 (例如周圍空氣)提供到風(fēng)機(jī)26中， 風(fēng)機(jī)26根據(jù)情況控制氣流，以通過管27將空氣供應(yīng)到燃料電池10的 陰極流場17。
陽極流場16的氫氣(H2)在陽極12的催化劑作用下分解成氫離 子(H+)和電子(e-)，氫離子通過電解質(zhì)膜13轉(zhuǎn)移到陰極14。陰極 流場17的氧氣(02)在陰極14的催化劑作用下分解成氧離子(0—)， 并且氫離子(H+)和氧離子(O-)彼此反應(yīng)形成H20。
包含在供應(yīng)給陰極流場17的空氣中的氧氣被消耗掉，因而陰極流 場17具有比周圍空氣更低的氧氣濃度(具有多得多的氮?dú)?。通過排
氣管28將陰極流場17中的產(chǎn)生的氣體排出。
通過向冷卻劑流場18供應(yīng)冷卻劑來冷卻燃料電池10。為了保持最 佳溫度，恰當(dāng)?shù)剡\(yùn)行冷卻劑泵29。在冷卻劑泵29的運(yùn)行過程中，冷卻 劑流場18中的高溫冷卻劑通過用于輸出冷卻劑的管30送入冷卻劑泵 29，然后通過熱交換供給管31導(dǎo)入熱交換器32中，高溫冷卻劑在其 中變冷。
通過熱交換排出管33、冷卻劑控制閥34和冷卻劑循環(huán)管35，將 由此冷卻的冷卻劑送回到冷卻劑流場18中，以冷卻燃料電池10。
同時，氫氣供應(yīng)系統(tǒng)中的循環(huán)對于提高燃料電池系統(tǒng)的效率、增 大燃料電極的濕度和提高系統(tǒng)穩(wěn)定性和使用壽命至關(guān)重要。
而且，在用于循環(huán)從燃料電池排出的高溫混合氣體(像氫氣、氮 氣、蒸汽等)的氫氣循環(huán)風(fēng)機(jī)的使用過程中，用于驅(qū)動風(fēng)機(jī)的電機(jī)的 容量(capacity)和其它條件對于氫氣循環(huán)風(fēng)機(jī)的耐用性具有重要作用。
然而，使用散熱片的常規(guī)空氣冷卻法，受到電機(jī)的散熱量的容量 小的限制。此外，水冷卻法需要額外的冷卻液線路和水泵，這與系統(tǒng) 的優(yōu)化不相適宜。
上述在發(fā)明背景技術(shù)部分公開的信息只是為了加強(qiáng)對本發(fā)明背景 技術(shù)的理解，而不應(yīng)被視為是對構(gòu)成本領(lǐng)域普通技術(shù)人員已知現(xiàn)有技 術(shù)的一種承認(rèn)或任何形式的暗示。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明已做出努力來解決上述問題，本發(fā)明的一個目的就是提供 一種用于燃料電池車輛的氫氣循環(huán)風(fēng)機(jī)的冷卻裝置，其中冷卻通道布 置在氫氣循環(huán)風(fēng)機(jī)的風(fēng)機(jī)殼體中，從而使用氫氣代替冷卻劑來冷卻電 機(jī)。
本發(fā)明一方面提供一種用于燃料電池車輛的氫氣循環(huán)風(fēng)機(jī)的冷卻 裝置，其中燃料電池組中用作燃料的氫氣的一部分被用作冷卻劑，用 于冷卻所述氫氣循環(huán)風(fēng)機(jī)的電機(jī)。
在一個優(yōu)選實施方式中，該裝置包括風(fēng)機(jī)殼體、冷卻通道和氫氣 供應(yīng)線路。風(fēng)機(jī)殼體包括設(shè)置在其前部用于循環(huán)氫氣的入口和出口。 風(fēng)機(jī)殼體還包括葉輪，和設(shè)置在其中用于驅(qū)動氫氣循環(huán)風(fēng)機(jī)的電機(jī)。 冷卻通道被設(shè)置于風(fēng)機(jī)殼體上。通過冷卻通道，氫氣被供應(yīng)到風(fēng)機(jī)殼 體進(jìn)行熱交換。氫氣供應(yīng)線路從氫氣供應(yīng)管分支并連接到風(fēng)機(jī)殼體上。 通過氫氣供應(yīng)線路，氫氣被供應(yīng)給冷卻通道以冷卻電機(jī)。
優(yōu)選地，冷卻通道布置在風(fēng)機(jī)殼體的外表面上，以冷卻因葉輪旋 轉(zhuǎn)而被加熱的電機(jī)。同樣優(yōu)選地，散熱片設(shè)置在冷卻通道內(nèi)部，從而 供應(yīng)給冷卻通道的氫氣冷卻被電機(jī)產(chǎn)生的熱量加熱的散熱片。
適宜地，隔熱板設(shè)置在風(fēng)機(jī)殼體的內(nèi)壁上，以便將風(fēng)機(jī)殼體分成 葉輪部和電機(jī)部。
應(yīng)該理解在此使用的術(shù)語"車輛"或者"車輛的"或其它類似術(shù) 語，包括廣義的機(jī)動車，例如包括多用途運(yùn)動車(SUV)、公共汽車、 卡車、和各種商用車在內(nèi)的客車，包括各種船、艇在內(nèi)的船舶，和空 中飛行器等。
圖1是燃料電池車輛的常規(guī)燃料電池系統(tǒng)的示意圖； 圖2是示出用于燃料電池車輛的氫氣循環(huán)風(fēng)機(jī)的冷卻裝置的示意 圖；并且
圖3是示出圖2所示氫氣循環(huán)風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)的示意圖。 圖中的附圖標(biāo)記包括下文中進(jìn)一步討論的下列部件 10:燃料電池 11:隔板
12:陽極 13:電解質(zhì)膜
14:陰極
15:氫氣/氧氣/冷卻劑分配結(jié)構(gòu)
16:陽極流場
18:冷卻劑流場
20:氧氣供應(yīng)閥
50:氫氣循環(huán)風(fēng)機(jī) 23 24:氫氣循環(huán)控制閥 26:風(fēng)機(jī)
17:陰極流場 19:氧氣供應(yīng)源 21:排氣閥
、25、 27、 30、 31、 33、 35和38:管
28:排氣管29:冷卻劑泵32:熱交換器
34:冷卻劑控制閥36:排氣電磁閥
46:空氣51:風(fēng)機(jī)殼體
52:葉輪53:定子
54:磁體55:軸承
56:散熱片57:冷卻通道
58:氫氣供應(yīng)線路59:轉(zhuǎn)軸
60:隔熱板61:氫氣循環(huán)線路
具體實施例方式
現(xiàn)參考附圖中示出的實施例，詳細(xì)說明本發(fā)明的優(yōu)選實施方式， 其中相同的附圖標(biāo)記表示全文中相同的部件。通過參考附圖描述實施 方式來說明本發(fā)明。
圖2是示出用于燃料電池車輛的氫氣循環(huán)風(fēng)機(jī)的冷卻裝置的示意 圖，圖3是示出圖2所示氫氣循環(huán)風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)的示意圖。
根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，提供一種用于燃料電池車輛氫氣循 環(huán)風(fēng)機(jī)的冷卻裝置，其中氫氣供應(yīng)線路路58連接到氫氣循環(huán)風(fēng)機(jī)50 (下文稱作"氫氣風(fēng)機(jī)")的風(fēng)機(jī)殼體51上，用作燃料電池中燃料的 氫氣，被用作冷卻劑來冷卻電機(jī)。
氫氣風(fēng)機(jī)50根據(jù)說明書及其類型是指氫氣泵或氫氣壓縮機(jī)，且包 括葉輪52、電機(jī)、風(fēng)機(jī)殼體51、軸承55和電機(jī)控制器。
連接到電機(jī)上的葉輪52通過軸從電機(jī)接收旋轉(zhuǎn)力，以增大冷卻劑 流過氫氣入口的流體壓力，因而形成冷卻劑的流動。
在氫氣風(fēng)機(jī)50中使用的電機(jī)是無刷直流(BLDC)電機(jī)，且以高 RPM工作以滿足最佳封裝。電機(jī)的主要元件包括磁體54和定子53。 磁體54通過兩端由軸承55支撐的轉(zhuǎn)軸59連接葉輪52。
電機(jī)控制器與上級控制器通信以接收與整個系統(tǒng)運(yùn)行速度有關(guān)的 命令，并監(jiān)控如運(yùn)行速度、耗電量、電流和力矩等運(yùn)行狀態(tài)。
由于用作電機(jī)控制器開關(guān)元件的絕緣門場效應(yīng)晶體管(IGBT)產(chǎn) 生大量熱量，需要有效散熱。
根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，從氫氣供應(yīng)管38分支的氫氣供應(yīng)線
路58連接到風(fēng)機(jī)殼體51上，以通過氫氣供應(yīng)管38將作為冷卻劑的氫 氣供應(yīng)到風(fēng)機(jī)殼體51。
將風(fēng)機(jī)殼體51內(nèi)部分成葉輪部和電機(jī)部的隔熱板60設(shè)置在風(fēng)機(jī) 殼體51內(nèi)。g卩，由隔熱板60分成兩個腔，葉輪52置于左腔內(nèi)，磁體 54和定子53置于右腔內(nèi)。
散熱片56形成為從風(fēng)機(jī)殼體51的外表面上突出，更精確地是形 成在布置磁體54和定子53的右腔外表面上，以增大散熱面積。從而， 將氫氣作為冷卻劑供應(yīng)給散熱片56來冷卻內(nèi)部設(shè)有電機(jī)的風(fēng)機(jī)殼體 51。
將散熱片56與外界氣體屏蔽開的冷卻通道57，形成在風(fēng)機(jī)殼體 51的外表面上，以便將氫氣作為冷卻劑供應(yīng)給散熱片56，冷卻通道57 的入口連接氫氣供應(yīng)線路58。
冷卻通道57的入口形成在風(fēng)機(jī)殼體51的頂部，以靠近隔熱板60， 冷卻通道57的出口形成在風(fēng)機(jī)殼體51的底面，以靠近隔熱板60。冷 卻通道57的出口可優(yōu)選地與氫氣風(fēng)機(jī)50的氫氣出口分離，或者也可 優(yōu)選地直接與葉輪52相連接，并連接到氫氣循環(huán)線路61上。
連接氫氣風(fēng)機(jī)59和氫氣循環(huán)控制閥的氫氣循環(huán)線路61，可以具體 化成管結(jié)構(gòu)的形式，通過該管結(jié)構(gòu)的用于冷卻電機(jī)的氫氣被配置成與 從燃料電池組中排出的氫氣一起循環(huán)。
下面詳細(xì)描述根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實施方式所述具有上述結(jié)構(gòu)的燃料 電池車輛的氫氣循環(huán)風(fēng)機(jī)冷卻裝置的操作。
從氫氣供應(yīng)源19通過氫氣供應(yīng)管38供應(yīng)的氫氣通過氫氣循環(huán)控 制閥被供應(yīng)到作為燃料的燃料電池組的陽極(燃料電極)12。從氫氣 供應(yīng)源19供應(yīng)的一部分氫氣作為冷卻劑通過從氫氣供應(yīng)管38上分支 的氫氣供應(yīng)線路58而被供應(yīng)到風(fēng)機(jī)殼體5]的冷卻通道57中。
在將氫氣用作冷卻劑的情況下，通過氫氣供應(yīng)線路58將氫氣送入 風(fēng)機(jī)殼體51的冷卻通道57的入口中，因而通過散熱片56與氫氣進(jìn)行 熱交換吸收電機(jī)所產(chǎn)生的熱量。
接著，在冷卻通道57中進(jìn)行熱交換的氫氣通過冷卻通道57的出 口被排出，然后通過氫氣循環(huán)線路61被供應(yīng)到燃料電池組中。
用作冷卻劑的氫氣循環(huán)量越大，則系統(tǒng)的優(yōu)勢越大。本裝置可以
增大電機(jī)的容量并確保預(yù)期的循環(huán)流動。
通常，從氫氣供應(yīng)源供應(yīng)的氫氣溫度大約為20。C，風(fēng)機(jī)殼體內(nèi)的
電機(jī)所產(chǎn)生熱的溫度大約為75°C。在風(fēng)機(jī)殼體的冷卻通道中經(jīng)熱交換 的氫氣溫度升高到5(TC，如果氫氣以lg/s在冷卻通道中流動，則可以 散發(fā)大約430W的熱量。
通過氫氣供應(yīng)線路58提供給冷卻通道57的氫氣能夠通過如上所 述的熱交換來冷卻電機(jī)。而且，利用將風(fēng)機(jī)殼體內(nèi)部分成葉輪部和電 機(jī)部的隔熱板60，可以提高散熱性能并進(jìn)而防止從燃料電池組出口產(chǎn) 生的高溫混合氣體冷凝，和流向葉輪52。
綜上所述，本裝置具有以下優(yōu)點(diǎn)
1) 通過使用燃料電池中作為燃料的一部分氫氣作為冷卻劑來冷卻 氫氣循環(huán)風(fēng)機(jī)中的電機(jī)，可以提高電機(jī)的冷卻效率并確保系統(tǒng)的穩(wěn)定 性；
2) 隨著氫氣循環(huán)風(fēng)機(jī)中電機(jī)容量的增大，可增大氫氣循環(huán)量；
3) 隨著氫氣循環(huán)量的增大，可以提高燃料電池系統(tǒng)的耐用性；
4) 可以提高氫氣循環(huán)風(fēng)機(jī)內(nèi)電機(jī)的使用壽命。 已經(jīng)參考優(yōu)選實施方式詳細(xì)描述了本發(fā)明。然而，本領(lǐng)域技術(shù)人
員應(yīng)該理解在不脫離本發(fā)明原理和精神的范圍內(nèi)還可以對這些實施方 式進(jìn)行各種變形，本發(fā)明的范圍由權(quán)利要求及其等效權(quán)利要求來限定。
權(quán)利要求
1.一種用于燃料電池車輛的氫氣循環(huán)風(fēng)機(jī)的冷卻裝置，其中燃料電池組中用作燃料的氫氣的一部分被用作冷卻劑，用于冷卻所述氫氣循環(huán)風(fēng)機(jī)的電機(jī)。
2. 如權(quán)利要求1所述的裝置，包括風(fēng)機(jī)殼體，包括設(shè)置在其前部用于氫氣循環(huán)的入口和出口、以及 葉輪和設(shè)置在所述風(fēng)機(jī)殼體中用于驅(qū)動所述氫氣循環(huán)風(fēng)機(jī)的電機(jī)；冷卻通道，該冷卻通道被設(shè)置于所述風(fēng)機(jī)殼體上，氫氣通過所述 冷卻通道被供應(yīng)到所述風(fēng)機(jī)殼體以提供熱交換；和氫氣供應(yīng)線路，氫氣通過所述氫氣供應(yīng)線路被供應(yīng)到所述冷卻通 道以冷卻電機(jī)，所述氫氣供應(yīng)線路從氫氣供應(yīng)管分支并連接到所述風(fēng) 機(jī)殼體上。
3. 如權(quán)利要求2所述的裝置，其中在所述風(fēng)機(jī)殼體的內(nèi)壁上設(shè)置隔熱板，以將所述風(fēng)機(jī)殼體分成葉輪部和電機(jī)部。
4. 如權(quán)利要求2所述的裝置，其中所述冷卻通道布置在所述風(fēng)機(jī) 殼體的外表面上，以冷卻因所述葉輪的旋轉(zhuǎn)而被加熱的所述電機(jī)，并 且在所述冷卻通道的內(nèi)部設(shè)置散熱片，使得供應(yīng)給所述冷卻通道的氫 氣冷卻被所述電機(jī)產(chǎn)生的熱量加熱的所述散熱片。
5. 如權(quán)利要求4所述的裝置，其中在所述風(fēng)機(jī)殼體的內(nèi)壁上設(shè)置 隔熱板，以將所述風(fēng)機(jī)殼體分成葉輪部和電機(jī)部。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種用于燃料電池車輛的氫氣循環(huán)風(fēng)機(jī)的冷卻裝置，包括風(fēng)機(jī)殼體，包括設(shè)置在其前部用于氫氣循環(huán)的入口和出口、以及葉輪和設(shè)置在風(fēng)機(jī)殼體中用于驅(qū)動氫氣循環(huán)風(fēng)機(jī)的電機(jī)；冷卻通道，其被設(shè)置于風(fēng)機(jī)殼體上，氫氣通過冷卻通道被供應(yīng)到風(fēng)機(jī)殼體以提供熱交換；和氫氣供應(yīng)線路，氫氣通過氫氣供應(yīng)線路被供應(yīng)到冷卻通道以冷卻電機(jī)，氫氣供應(yīng)線路從氫氣供應(yīng)管分支并連接到風(fēng)機(jī)殼體上，因而提高電機(jī)的冷卻效率并確保燃料電池系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
文檔編號H01M8/04GK101345319SQ20071019583
公開日2009年1月14日 申請日期2007年11月30日 優(yōu)先權(quán)日2007年7月13日
發(fā)明者權(quán)赫律, 魯容奎 申請人:現(xiàn)代自動車株式會社