燃料電池組冷卻劑熱質(zhì)量的控制和加熱的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ] 本公開涉及用于在冷啟動(dòng)和正常工作期間控制和加熱燃料電池組的冷卻劑熱質(zhì)量的系統(tǒng)和方法。
【背景技術(shù)】
[0002]當(dāng)例如電動(dòng)車輛中在低至-30°C至_40°C的冰點(diǎn)溫度下啟動(dòng)燃料電池系統(tǒng)時(shí)，使結(jié)冰作用最少是重要的。通過燃料電池的電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的水會(huì)快速地凝固成冰，從而導(dǎo)致催化劑和材料的降解加速，并且妨礙啟動(dòng)。另外，理想的是允許燃料電池的溫度升高，因?yàn)槿剂想姵氐墓β瘦敵鲈谳^冷工作溫度下通常較低。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]一種燃料電池系統(tǒng)包括燃料電池組；冷卻線路裝置，冷卻線路裝置構(gòu)造成使冷卻劑經(jīng)過燃料電池組；栗，栗構(gòu)造成使冷卻劑移動(dòng)經(jīng)過冷卻線路裝置；以及至少一個(gè)控制器，至少一個(gè)控制器被編程為:響應(yīng)于燃料電池組在低于第一閾值的環(huán)境溫度下的啟動(dòng)防止栗的致動(dòng)從而促進(jìn)冷卻線路裝置內(nèi)的層流狀態(tài)以加熱燃料電池組。
[0004]一種燃料電池系統(tǒng)包括燃料電池組；冷卻線路裝置，冷卻線路裝置構(gòu)造成使冷卻劑經(jīng)過燃料電池組；栗，栗構(gòu)造成使冷卻劑移動(dòng)經(jīng)過冷卻線路裝置；以及至少一個(gè)控制器，至少一個(gè)控制器被編程為:響應(yīng)于燃料電池組在低于第一閾值的環(huán)境溫度下的啟動(dòng)使栗以低于工作目標(biāo)值的流率工作以減緩從燃料電池組到冷卻劑的熱傳遞并提高燃料電池組加熱的速率。
[0005]一種燃料電池系統(tǒng)包括燃料電池組；冷卻線路裝置，冷卻線路裝置包括閥門并且構(gòu)造成使冷卻劑經(jīng)過燃料電池組；栗，栗構(gòu)造成使冷卻劑移動(dòng)經(jīng)過冷卻線路裝置；以及至少一個(gè)控制器，至少一個(gè)控制器被編程為:響應(yīng)于燃料電池組在低于第一閾值的環(huán)境溫度下的啟動(dòng)配置閥門以由冷卻線路裝置的一部分形成用于燃料電池組的再循環(huán)路徑以使燃料電池組與冷卻線路裝置的其余部分流體地隔離并且減小在啟動(dòng)期間被加熱的冷卻線路裝置內(nèi)的冷卻劑的質(zhì)量。
【附圖說明】
[0006]圖1是具有用于栗致動(dòng)的控制器的燃料電池系統(tǒng)的示意圖；
[0007]圖2A和2B是在冷卻線路裝置中具有兩個(gè)三通閥的燃料電池系統(tǒng)的示意圖；
[0008]圖3是在再循環(huán)路徑中具有栗的燃料電池系統(tǒng)的示意圖；以及
[0009]圖4是包括一個(gè)加熱器的燃料電池系統(tǒng)的示意圖，該加熱器用于再循環(huán)路徑和冷卻線路裝置的其余部分兩者。
【具體實(shí)施方式】
[0010]在此描述了本公開的實(shí)施方式。然而，應(yīng)當(dāng)理解的是，所公開的實(shí)施方式僅僅是示例，并且其他實(shí)施方式可以采用各種替代形式。附圖未必按照比例繪制；一些特征可以被放大或縮小以示出特定組成部分的細(xì)節(jié)。因此，本文公開的具體結(jié)構(gòu)和功能方面的細(xì)節(jié)不應(yīng)被理解為限制性的，而是僅僅作為用于教導(dǎo)本領(lǐng)域技術(shù)人員以多種方式使用本發(fā)明的代表性基礎(chǔ)。如本領(lǐng)域普通技術(shù)人員將理解的，關(guān)于任何一幅圖示出和描述的各種特征可以與在一個(gè)或多個(gè)其他附圖中示出的特征相組合，以產(chǎn)生沒有明確示出或描述的實(shí)施方式。圖示的特征的組合提供了用于一般的應(yīng)用的代表性實(shí)施方式。然而，與本公開的教導(dǎo)相一致的特征的各種組合和修改可能對(duì)于特定的應(yīng)用或執(zhí)行方案而言是理想的。
[0011]循環(huán)通過燃料電池組的冷卻劑是系統(tǒng)熱質(zhì)量的一部分，并且將在其循環(huán)通過電池組時(shí)用作冷源(heat sink)，因而延緩電池組加熱和功率產(chǎn)生。一般的電池冷卻系統(tǒng)具有包含在車輛冷卻系統(tǒng)中的大量冷卻劑。需要這種較大量的冷卻劑以有效地在燃料電池系統(tǒng)以正常功率輸出工作時(shí)冷卻燃料電池系統(tǒng)。然而，冷卻系統(tǒng)的熱質(zhì)量可能阻礙冰點(diǎn)以下的溫度下系統(tǒng)的加熱。
[0012]本文描述的某些實(shí)施方式可以解決由于冷卻劑流體的較大熱質(zhì)量而導(dǎo)致的寒冷氣候下啟動(dòng)緩慢且困難的問題。用于燃料電池系統(tǒng)的冷卻劑環(huán)路可以包括用來提供需要的流率的栗并且可能還包括用來加熱冷卻劑流體的加熱器。加熱器還可以用作燃料電池組的電負(fù)載。當(dāng)燃料電池組在啟動(dòng)狀態(tài)期間于低功率輸出下工作時(shí)，可能需要用于燃料電池組的電負(fù)載。電負(fù)載也可以由諸如高電壓電池或高電壓電動(dòng)馬達(dá)的部件提供。在冷啟動(dòng)狀態(tài)下，燃料電池在低電壓下工作以產(chǎn)生熱，并且需要負(fù)載以用于產(chǎn)生電流。
[0013]參照?qǐng)D1，示出了車輛108包括燃料電池系統(tǒng)110的實(shí)施方式。燃料電池系統(tǒng)110包括燃料電池組112、構(gòu)造成使冷卻劑經(jīng)過電池組112的冷卻線路裝置114(以粗線示出)、以及控制器116。(冷卻線路裝置114也可以構(gòu)造成經(jīng)過散熱器或者將熱量轉(zhuǎn)移至其他部件或者從其他部件轉(zhuǎn)移熱量?？梢允褂眠m當(dāng)?shù)拈y門來旁通散熱器等)。在某些實(shí)施方式中，加熱器117可以設(shè)置在冷卻線路裝置114中。栗118可以用來移動(dòng)冷卻劑經(jīng)過冷卻線路裝置114。電池組112、加熱器117和栗118與控制器116 (以細(xì)線示出)通信或者處于控制器116的控制之下。盡管本實(shí)施方式使用控制器116，但具有輸出的調(diào)節(jié)器或其他傳感器也可以使用。
[0014]在燃料電池組112啟動(dòng)時(shí)，如果環(huán)境溫度低于第一閾值，則控制器116可以被編程為通過開始電池組12的工作而作出響應(yīng)并且防止栗118的致動(dòng)。這導(dǎo)致冷卻裝置114內(nèi)的層流狀態(tài)(static flow condit1n)，以允許電池組112由于其自身的熱量產(chǎn)生變熱而不被冷卻裝置114冷卻。當(dāng)電池組112的溫度低于第二溫度閾值時(shí)，這種層流狀態(tài)持續(xù)下去?？刂破?16或者另外的控制器可以被編程為響應(yīng)于電池組112的溫度超過第二溫度閾值或者響應(yīng)于與電池組112相關(guān)聯(lián)的入口溫度或出口溫度而致動(dòng)栗118。此時(shí)，燃料電池組112已經(jīng)達(dá)到可以可靠地進(jìn)行穩(wěn)定工作的溫度，或者冷卻環(huán)路中的另外部件(例如加熱器)需要用于其自身工作的冷卻劑流。第一閾值例如可以低于_25°C或者更優(yōu)選地低于_5°C。第二閾值例如可以是0°C或者更優(yōu)選地大于5°C。當(dāng)被致動(dòng)時(shí)，栗18可以例如提供最低每分鐘0.5升的恒定流量，或者可以被施加脈沖以提供間歇的流量。
[0015]在另一個(gè)實(shí)施方式中，由冷卻裝置的一部分建立再循環(huán)路徑。該再循環(huán)路徑將電池組冷卻劑與系統(tǒng)的其余部分中的冷卻劑隔離。該再循環(huán)路徑還提供了使包含在其中的冷卻劑的熱質(zhì)量最小化的機(jī)會(huì)，這使得電池組能夠在需要時(shí)(例如在冰點(diǎn)狀態(tài)下)保留住更多的由電池組產(chǎn)生的熱量。該單獨(dú)的再循環(huán)路徑可以減小的流率工作或者在沒有流動(dòng)的狀態(tài)下工作，以進(jìn)一步減小在冷啟動(dòng)期間來自電池組的熱損失。對(duì)于再循環(huán)路徑中減小流率，該流率可以通過栗來控制或者可以通過使用可變閥門來控制?？梢允褂瞄y門將來自兩個(gè)環(huán)路的冷卻劑可變地混合在一起以避免熱沖擊。兩個(gè)三通閥可以在正常工作期間將再循環(huán)路徑連接至冷卻裝置的其余部分，以確保足夠的散熱能力和流率，從而移除由燃料電池產(chǎn)生的熱量。
[0016]參照?qǐng)D2A，車輛208包括燃料電池系統(tǒng)210。燃料電池系統(tǒng)210包括燃料電池組212、栗218以及冷卻線路裝置234。冷卻線路裝置234包括第一三通閥236和第二三通閥238?？刂破?16構(gòu)造成對(duì)三通閥236、238以及栗218進(jìn)行致動(dòng)。然而，可以使用單獨(dú)的控制器來控制栗218或閥236、238。圖3A中的閥236、238示出為被致動(dòng)，以使得對(duì)于整個(gè)燃料電池系統(tǒng)210有一個(gè)冷卻劑環(huán)路。(虛線表示不存在流動(dòng))
[0017]參照?qǐng)D2B，控制器216可以響應(yīng)于燃料電池組212的啟動(dòng)配置閥236、238以形成與冷卻線路裝置234的其余部分隔離的用于電池組212的再循環(huán)路徑232，以減小在啟動(dòng)期間被加熱的流體的質(zhì)量。在其他實(shí)施方式中，單獨(dú)的閥236 (因此省略閥238)可以構(gòu)造成形成與冷卻線路裝置234的其余部分流體隔離的用于電池組212的再循環(huán)路徑232。
[0018]在另一個(gè)實(shí)施方式中，燃料電池系統(tǒng)包括燃料電池組以及具有栗和閥的冷卻線路裝置。冷卻線路裝置構(gòu)造成使冷卻劑經(jīng)過電池組，并且提供了至少一個(gè)控制器且該至少一個(gè)控制器被編程為響應(yīng)于電池組在低于第一閾值的環(huán)境溫度下的啟動(dòng)而開始電池組的工作和栗的致動(dòng)，從而促進(jìn)例如小