[發明專利]集成式增壓空氣熱交換器

有效

• 申請號: 200910130216.9
• 申請日: 2009-03-24
• 公開（公告）號: CN101546836A
• 公開（公告）日: 2009-09-30
• 發明（設計）人: L·C·懷特赫德;B·安德里斯-肖特;G·W·斯卡拉
• 申請（專利權）人: 通用汽車環球科技運作公司
• 主分類號: H01M8/02
• 分類號: H01M8/02;H01M8/04;G05B23/00;H01M8/24
• 代理公司: 中國專利代理(香港)有限公司
• 代理人: 溫大鵬;劉華聯

技術領域

本發明涉及一種熱交換器，更具體地涉及一種用于燃料電池組的集 成式增壓空氣熱交換器。

背景技術

燃料電池已被提出為用于各種應用的清潔、高效和環境友好的電 源。燃料電池是電化學器件，其將諸如氫的燃料與諸如來自空氣的氧的 氧化劑結合，以產生電以及副產品水。尤其地，能夠將分立的燃料電池 串聯地堆疊在一起，以形成能夠足以向電動車輛提供動力的電量的燃料 電池組。燃料電池組已被看成是現代車輛中所使用的傳統內燃機的潛在 替代品。

已知一種類型的燃料電池為質子交換膜(PEM)燃料電池組。PEM燃 料電池通常包括三個基本部件：負電極、正電極、和電解質膜。電解質 膜夾在陰極與陽極之間，該陰極與陽極又夾在導電透氣擴散介質或擴散 層之間。擴散介質用作用陽極和陰極的集電器以及為燃料電池提供機械 支持。通常將擴散介質、電極、和電解質膜擠壓在將燃料和氧化劑分配 至電極并完成PEM燃料電池的一對導電板之間。

燃料電池組通常具有使燃料電池組運行優化的期望溫度范圍。為了 在正常運行下將燃料電池組的溫度保持在期望的溫度范圍內，通常采用 使冷卻劑循環并從燃料電池組輻射余熱的冷卻劑系統。然而，在冷狀態 下的燃料電池組的啟動運行期間，必須使燃料電池組溫度升高到期望的 范圍。例如已知在啟動運行期間用冷卻劑加熱器加熱冷卻劑。冷卻劑加 熱器包括電阻式電熱元件。經加熱的冷卻劑用于提高燃料電池組的溫 度。當燃料電池組產生足夠的熱量時脫開電阻式電熱元件，以與冷卻系 統共同維持期望的溫度。從而根據需要調節燃料電池組的溫度。

還已知用于從熱壓縮空氣(諸如作為氧化劑供應至燃料電池組的空 氣)傳遞熱的增壓空氣冷卻器(CAC)。通常，冷卻劑加熱器和增壓空氣 冷卻器相互獨立地運行。在授予Brun等人的EP1621378中公布了用于加 熱空氣的另一已知熱交換器，在此該專利以參考的方式全文并入。 EP1621378描述了一種加熱裝置，其包括布置在波形金屬肋之間的諸如 至少一個正溫度系數(PTC)元件的自調節加熱元件，用于對供應至汽車 艙室的空氣加熱。

冷卻劑加熱器和增壓空氣冷卻器昂貴，并且可能容積效率低，常常 需要電動車輛內部中相當大的封裝空間。這樣的系統的采用不合需要地 增加燃料電池動力裝置的設計和制造中的復雜性。為了防止供應至燃料 電池組的冷卻劑過熱，常規的電阻式電熱元件還不合需要地需要附加的 元件部分。

存在對集成式增壓空氣熱交換器的持續需求，其容積效率高、使燃 料電池系統的設計和制造復雜性最小、并降低燃料電池系統成本。令人 滿意的是，該集成式增壓空氣熱交換器將冷卻劑加熱器和增壓空氣冷卻 器功能結合到單個單元中，并采用自調節的加熱元件以在第一運行模式 中加熱冷卻劑，和在第二運行模式中加熱或冷卻增壓氣流。

發明內容

根據本發明，令人驚訝地發現了一種集成式增壓空氣熱交換器，其 容積效率高、使燃料電池設計和制造復雜性最小、使燃料電池系統成本 最低、將冷卻劑加熱器和增壓空氣冷卻器功能結合到單個單元中、并可 選地采用自調節的加熱元件，以在第一運行模式中加熱冷卻劑和在第二 運行模式中冷卻增壓氣流。

在一個實施例中，用于燃料電池組的集成式增壓空氣熱交換器包括 適于冷卻劑流體流動通過的多個冷卻劑導管、多個加熱元件、和適于氣 流在周圍流動的多個散熱片元件。冷卻劑導管之一具有第一表面和第二 表面。加熱元件之一設置在第一表面上并且適于將熱傳遞至冷卻劑流 體。散熱片元件之一設置在第二表面上并適于將熱從氣流傳遞至冷卻劑 流體。

在另一實施例中，燃料電池系統包括燃料電池組、與燃料電池組流 體連通的集成式增壓空氣熱交換器單元、和與集成式增壓空氣熱交換器 單元的多個加熱元件電連通的電源。

在又一實施例中，用于調節燃料電池組的溫度的方法首先包括步 驟：令燃料電池組與冷卻劑導管流體連通，該冷卻劑導管適于向該燃料 電池組提供冷卻劑流體，以調節該燃料電池組的溫度。該方法還包括步 驟：啟動燃料電池組；通過冷卻劑導管將冷卻劑流體供應至燃料電池組； 和通過利用加熱元件加熱冷卻劑流體和利用圍繞散熱片元件流動的增 壓氣流加熱冷卻劑流體的方法之一，將冷卻劑流體的溫度保持在期望的 范圍內。

附圖說明