[發(fā)明專利]用于燃料電池車中的驅動單元和燃料電池的優(yōu)化冷卻裝置

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 200910007888.0
• 申請日: 2009-02-20
• 公開（公告）號: CN101513830A
• 公開（公告）日: 2009-08-26
• 發(fā)明（設計）人: S·利恩坎普;M·貝克
• 申請（專利權）人: 通用汽車環(huán)球科技運作公司
• 主分類號: B60K11/02
• 分類號: B60K11/02;H01M8/04
• 代理公司: 中國專利代理(香港)有限公司
• 代理人: 彭 武;曹 若

技術領域

本發(fā)明涉及燃料電池系統(tǒng)，更具體地涉及用于燃料電池 車中的驅動單元和燃料電池的優(yōu)化冷卻裝置和方法。

背景技術

燃料電池已經作為用于電動車和各種其它應用的清潔、 高效且對環(huán)境友好的能源提出。特別是，燃料電池已經被認為是現(xiàn)代 車輛中所使用的傳統(tǒng)內燃機的潛在替代品。燃料電池的一種類型公知 為質子交換膜(PEM)燃料電池。單個的燃料電池能以串聯(lián)方式疊在一 起形成燃料電池組。燃料電池組能供應足以給車輛提供動力的電量。

氫是非常有吸引力的燃料，因為它清潔并且能夠用于有 效地在燃料電池中產生電。氫燃料電池是包括陽極和陰極以及在陽極 和陰極之間的電解質的電化學設備。陽極接收氫氣，陰極接收氧或空 氣。氫氣在陽極中分解從而產生自由的質子和電子。質子穿過電解質 到達陰極。質子在陰極中與氧和電子發(fā)生反應產生水。來自陽極的電 子不能穿過電解質，并因此在被送到陰極之前被引導通過負荷而做功。

質子交換膜燃料電池(PEMFC)是流行的車用燃料電池。 PEMFC大體包括固體聚合物電解質質子傳導膜，例如全氟磺酸膜。陽極 和陰極通常包括支撐在碳粒子上并與離聚物混合的細粒狀催化粒子 (通常為鉑(Pt))。催化混合物沉積在膜的相對側上。陽極催化混 合物、陰極催化混合物和膜的組合限定了膜電極組件(MEA)。

通常，若干燃料電池組合在一起形成燃料電池組以產生 希望的功率。對于上述提到的車用燃料電池組，所述組可包括200個 或更多的燃料電池。燃料電池組接收陰極反應氣體，通常為通過壓縮 機而被迫通過所述燃料電池組的空氣流。并非所有的氧都被燃料電池 組消耗，一些空氣作為陰極排氣輸出，所述陰極排氣可能包含作為燃 料電池組副產物的水。燃料電池組還接收流進燃料電池組的陽極側的 陽極反應氣體，例如氫。

燃料電池組包括一系列位于燃料電池組中的幾個MEA之 間的雙極板，其中雙極板和MEA位于兩個端板之間。雙極板包括用于 燃料電池組中的相鄰燃料電池的陽極側和陰極側。陽極氣體流動通道 設置在雙極板的陽極側上以允許陽極反應氣體流向相應的MEA。陰極氣 體流動通道設置在雙極板的陰極側上以允許陰極反應氣體流向相應的 MEA。一個端板包括陽極氣體流動通道，且另一個端板包括陰極氣體流 動通道。雙極板和端板由導電材料例如不銹鋼或導電復合材料制成。 端板將由燃料電池產生的電導出燃料電池組。雙極板還包括冷卻流體 流動通過的流動通道。

雖然與內燃機相比，由于車輛中的燃料電池組具有更高 的效率，燃料電池組排出的熱在總量上更少，但是與內燃機相比，燃 料電池組排進冷卻劑的廢熱(offheat)更高因為損耗進排氣的熱更少。 通常燃料電池組冷卻劑溫度比內燃機冷卻劑溫度低，這使得對所有的 車輛熱交換器而言，在給定的封裝(package)空間內將燃料電池組的 熱負荷排出到外界環(huán)境更加困難。

在燃料電池車的電驅動單元中產生需要由CRFM排出的額 外熱。就燃料電池組而言，在不損害冷卻性能的情況下需要實現(xiàn)該熱 排出。

本發(fā)明不限于以下所述的應用，而是適于與需要冷卻的 其他部件(例如電力電子設備和電動機)一起使用，例如，用于電力 電子設備的熱交換器可安裝在輪罩(wheel?house)內。

發(fā)明內容

本發(fā)明克服了當前系統(tǒng)所遭受的燃料電池系統(tǒng)冷卻問 題。雖然本發(fā)明探討PEMFC系統(tǒng)，但是這里公開的實施例可用于任何 燃料電池結構。

在一個實施例中，本發(fā)明涉及用于冷卻燃料電池車中的 燃料電池組和驅動單元的熱系統(tǒng)。所述系統(tǒng)包括驅動單元和燃料電池 組。用于驅動單元的油冷卻回路包括三通閥、液-液熱交換器和泵。所 述油繞所述回路從驅動單元通過三通閥和液-液熱交換器流到泵，油在 所述泵處被泵送進驅動單元。通過重新定位三通閥并使得油可沿著油 流動通路從驅動單元通過泵流進驅動單元，可繞過液-液熱交換器。在 所示的實施例中，所述油冷卻回路并不包括氣-液熱交換器。

用于燃料電池組的冷卻劑流動通路包括相同的液-液熱 交換器、空氣熱交換器、三通閥和泵。冷卻劑繞回路從燃料電池組通 過液-液熱交換器、通過空氣熱交換器流到泵，所述冷卻劑在所述泵處 被泵送進燃料電池組。通過重新定位三通閥并使得冷卻劑可沿著冷卻 劑通路從燃料電池組通過液-液熱交換器流動并通過泵返回燃料電池 組，可繞過空氣熱交換器。

附圖說明