用于配置具有较低冷却剂路径隔离电阻的燃料电池的系统和方法
【专利摘要】公开了与具有较低冷却剂路径隔离电阻的燃料电池系统的配置有关的系统和方法。在某些实施例中，所述燃料电池系统可以包含第一燃料电池亚组，其包括第一多个电池。所述燃料电池系统还可以包含第二燃料电池亚组，其包括第二多个电池。所述第一和第二燃料电池亚组可以共用至少一个终端和/或共用共同湿端部。冷却剂系统可以被耦接至所述第一燃料电池亚组和所述第二燃料电池亚组并且可以被配置为使用冷却剂除去在操作所述燃料电池系统期间由所述第一燃料电池亚组和所述第二燃料电池亚组产生的热量。
【专利说明】用于配置具有较低冷却剂路径隔离电阻的燃料电池的系统 和方法
【技术领域】
[0001] 本公开涉及燃料电池系统。更具体地，但不排他地，本公开涉及具有较低冷却剂路 径隔离电阻的燃料电池系统的配置。
【背景技术】
[0002] 载客车辆可以包括燃料电池("FC"）系统以向车辆的电气和传动系系统的某些装 置提供电功率。例如，FC系统可以被用在车辆中以直接地和/或经由中间蓄电池系统给车 辆的电气传动系系统部件(例如，电驱动的电动机及类似物)提供电功率。FC系统可以包括 单个电池，或可选择地，可以包括布置在一种组配置中的多个电池。
[0003] 在某些实施例中，冷却系统可以与FC系统相关联。所述冷却系统可以被配置为使 用循环冷却剂从FC系统除去在其操作期间产生的热量。在常规FC系统中，高电阻冷却剂 和/或长冷却剂路径可以帮助防止泄漏电流在FC组与FC底盘和/或车辆底盘之间流动。 然而，这样的高电阻冷却剂和/或长冷却剂路径可以限制可被用在FC系统中冷却剂的类型 和/或在FC系统的制造和封装中引入困难。
【发明内容】
[0004] 关于用于具有较低冷却剂路径隔离电阻的FC系统的配置，提出了系统和方法。符 合在本文中所公开的某些实施例的FC系统可以包含第一 FC亚组，其包括第一多个电池。所 述FC系统还可以包含第二FC亚组，其包括第二多个电池。所述第一和第二FC亚组可以共 用至少一个终端和/或共用共同湿端部。冷却剂系统可以被耦接至所述第一 FC亚组和所 述第二FC亚组并且可以被配置为使用冷却剂除去在操作所述燃料电池系统期间由所述第 一 FC亚组和所述第二FC亚组产生的热量。在某些实施例中，以前面提及的方式使用第一 和第二亚组可以允许冷却剂路径具有较低隔离电阻，同时仍然满足泄漏和/或本体电流和 /或隔离电阻的安全要求。
[0005] 本发明还包括如下方案： 1. 一种燃料电池系统，包括： 第一燃料电池亚组，其包括第一多个电池； 第二燃料电池亚组，其包括第二多个电池，所述第二燃料电池亚组与所述第一燃料电 池亚组共用至少一个终端；以及 耦接至所述第一燃料电池亚组和所述第二燃料电池亚组的冷却剂系统，其被配置为使 用冷却剂除去在操作所述燃料电池系统期间由所述第一燃料电池亚组和所述第二燃料电 池亚组所产生的热量。
[0006] 2.根据方案1所述的燃料电池系统，其中，所述第一燃料电池亚组和所述第二燃 料电池亚组共用共同湿端部。
[0007] 3.根据方案1所述的燃料电池系统，其中，所述冷却剂系统被配置为使所述冷却 剂循环。
[0008] 4.根据方案1所述的燃料电池系统，其中，所述第一多个电池的电池和所述第二 多个电池的电池均通过双极板被分开。
[0009] 5.根据方案4所述的燃料电池系统，其中，所述双极板包括通道，所述冷却剂系统 被配置为使所述冷却剂循环通过所述通道。
[0010] 6.根据方案5所述的燃料电池系统，其中，所述双极板包括临近所述通道的热交 换表面。
[0011] 7.根据方案1所述的燃料电池系统，其中，所述第一燃料电池亚组和所述第二燃 料电池亚组均被配置为以所述燃料电池系统的全电压的一半操作。
[0012] 8.根据方案1所述的燃料电池系统，其中，所述第一燃料电池亚组和所述第二燃 料电池亚组均包括氢燃料电池组。
[0013] 9.根据方案1所述的燃料电池系统，其中，所述燃料电池系统包括质子交换隔膜 燃料电池系统。
[0014] 10.根据方案1所述的燃料电池系统，其中，所述冷却剂包括水。
[0015] 11.根据方案1所述的燃料电池系统，其中，所述冷却剂包括防冻剂溶液。
[0016] 12.根据方案1所述的燃料电池系统，其中，所述冷却剂包括乙二醇溶液。
[0017] 13.根据方案1所述的燃料电池系统，其中，所述冷却剂系统经由所述冷却剂限定 所述第一燃料电池亚组及所述第二燃料电池亚组与接地底盘之间的电气路径。
[0018] 14.根据方案13所述的燃料电池系统，其中，所述接地底盘包括燃料电池系统底 盘。
[0019] 15.根据方案13所述的燃料电池系统，其中，所述接地底盘包括车辆底盘。
[0020] 16.根据方案1所述的燃料电池系统，其中，所述燃料电池系统被配置为向车辆传 动系系统提供电功率。
[0021] 17.根据方案1所述的燃料电池系统，其中，所述第一燃料电池亚组的负终端与所 述第二燃料电池亚组的正终端耦接。
[0022] 18. -种方法，包括： 将包括第一多个电池的第一燃料电池亚组布置在燃料电池系统中； 将包括第二多个电池的第二燃料电池亚组布置在所述燃料电池系统中； 将所述第一燃料电池亚组的第一终端耦接至所述第二燃料电池亚组的第二终端；以及 将冷却剂系统耦接至所述第一燃料电池亚组和所述第二燃料电池亚组，其配置为使用 冷却剂除去在操作所述燃料电池系统期间由所述第一燃料电池亚组和所述第二燃料电池 亚组产生的热量。
【专利附图】
【附图说明】
[0023] 参照图描述本公开的非限制性和非排他的实施例，其包括本公开的各种实施例， 其中： 图1示出了符合在本文中所公开的实施例的车辆中的FC系统的示例。
[0024] 图2示出了符合在本文中所公开的实施例的常规FC组配置的概念性电路图。
[0025] 图3示出了符合在本文中所公开的实施例的示例性FC组配置的概念性电路图。
[0026] 图4示出了符合在本文中所公开的实施例的示例性FC组配置。
[0027] 图5示出了符合在本文中所公开的实施例的用于布置FC系统的示例性方法的流 程图。
【具体实施方式】
[0028] 下面提供符合本公开的实施例的系统和方法的【具体实施方式】。尽管描述了几个 实施例，但应该理解，本公开不限于任何一个实施例，而是相反包含许多替代方案、修改、及 等同物。另外，尽管许多具体细节在下列描述中被陈述以便提供在本文中所公开的实施例 的彻底理解，但是一些实施例在没有一些或所有这些细节的情况下可以被实施。而且，为了 清晰目的，在相关领域中已知的某些技术材料尚未被详细描述以便避免不必要地模糊本公 开。
[0029] 将参照附图最佳地理解本公开的实施例，其中，类似部分可以用类似编号表示。所 公开的实施例的部件(如在本文中的图中总体描述和示出的）可以以多种多样的不同配置 被布置且被设计。因此，本公开的系统和方法的实施例的下列详细描述不旨在限制本公开 的范围(如所要求保护的)，而是仅仅代表本公开的可能的实施例。另外，方法的步骤不一定 需要按任何具体的次序执行，或甚至顺序地，也不一定需要将所述步骤执行一次，除非另外 规定。
[0030] 在本文中所公开的系统和方法的实施例提供比常规FC系统具有更低冷却剂路径 隔离电阻的FC系统配置。某些实施例可以结合质子交换隔膜("PEM")FC系统一起被使用， 但是其他类型的FC系统也可以被使用。在PEM型FC中，氢可以被供应至FC的阳极，并且 氧可以作为氧化剂被供应至FC的阴极。PEM FC可以包含隔膜电极组件("1^八")，其包含在 其表面的一个上具有阳极催化剂并在相对的表面上具有阴极催化剂的质子传输非导电固 体聚合物电解质隔膜。所述MEA可以被设置在一对导电元件之间，充当用于阳极和阴极的 电流收集器并包括用于跨过相应阳极和阴极催化剂的表面而分布气体反应剂的一个/或 多个通道和/或开口。
[0031] FC系统可以包括单个电池，或可选择地，可以包括布置在一种组配置中的多个电 池。例如，在某些实施例中，多个电池可以串联布置以形成FC组。在FC组中，多个电池可 以电串联组叠在一起并且可以通过不透气的导电双极板分开。所述双极板可以执行各种功 能并且可以以各种方式进行配置。在某些实施例中，所述双极板可以限定包含一个或多个 热交换表面的一个或多个内部冷却通路和/或通道，冷却剂可以流动通过所述一个或多个 内部冷却通路和/或通道以从FC组除去在其操作期间产生的热量。
[0032] 各种冷却剂可以被用在FC系统中。例如，在某些实施例中，水、防冻剂、和/或其 任何组合可以被用作FC系统冷却剂。在另外实施例中，FC冷却剂可以包括甲醇、乙二醇、 乙烯二醇、丙二醇、甘油、DeX-c 〇〇r、和/或其任何其他组合。在某些FC系统中，高电阻和 /或低电导率冷却剂可以被用来帮助防止泄漏和/或本体电流在FC组与FC底盘和/或车 辆底盘之间流动。过量的泄漏和/或本体电流可能与各种FC系统问题(包括例如短路、腐 蚀、及电解冷却剂）相关联。这样的问题可以降低FC系统的效率。
[0033] 在某些实施例中，系统与泄漏电流的隔离电阻可以至少部分被冷却剂的电阻和/ 或电导率和/或冷却剂通路（即，冷却剂路径）的几何形状影响。在常规FC系统中，由冷却 剂通路限定的高电阻冷却剂和/或长冷却剂路径可以被用来满足某些隔离电阻和/或泄漏 和/或本体电流的安全要求。然而，这样的高电阻冷却剂和/或长冷却剂路径可以限制可 被用在FC系统中的冷却剂的类型和/或可以在FC系统的制造和/或封装中引入困难。 [0034] 符合在本文中所公开的实施例，FC系统可以被配置为在选择冷却剂类型时允许更 多灵活性和/或由于较短的冷却剂路径而更容易封装。在某些实施例中，FC组的第一部分 (例如，第一亚组）和FC组的第二部分(例如，第二亚组）可以在中间电气点处共用共同终端 (例如，共同湿端部)。例如，第一亚组可以包含与第二亚组的正终端共用的负终端。第一亚 组可以以完整FC组的全电压的第一部分操作并且第二亚组可以以完整FC组的全电压的第 二部分操作。在一些实施例中，中间电气点可以是FC组的电气中心点。在这样的实施例中， FC组的第一亚组和第二亚组可以各自以完整FC组的全电压的一半操作。
[0035] 在一些实施例中，以前面提及的方式配置FC组以包括第一部分和第二部分可以 允许冷却剂路径具有较低隔离电阻，同时仍然满足泄漏和/或本体电流和/或隔离电阻的 安全要求。例如，在第一亚组和第二亚组各自以完整FC组的全电压的一半操作的FC组中， FC组的冷却剂路径可以具有常规FC组的隔离电阻的一半。较低隔离电阻的要求可以允许 更高的可容许冷却剂电导率和可以在与FC系统连接时被使用的合适冷却剂类型的更广泛 范围。而且，与第一和第二亚组配置相关联的更短的冷却剂路径可以允许完整FC系统更容 易地制造和封装。
[0036] 图1示出了符合在本文中所公开的实施例的车辆100中的FC系统102的示例。所 述车辆100可以是机动车辆、海上车辆、飞机、和/或任何其他类型的车辆，并且可以包括用 于并入在本文中所公开的系统和方法的任何合适类型的传动系。如图所示，车辆1〇〇可以 包含被配置为向车辆100的某些部件提供电功率的FC系统102。例如，FC系统102可以被 配置为向车辆100的电气传动系系统部件104提供电功率。所述FC系统102可以包括单 个电池或布置成组配置的多个电池，并且可以包括上面所描述的某些FC系统元件和/或装 置。
[0037] 如图所示，所述FC系统102可以被配置为直接向电气传动系系统部件104提供电 功率。在某些实施例中，所述FC系统102可以被配置为经由中间蓄电池系统(未示出）向电 气传动系系统部件104提供电功率。在另外实施例中，所述FC系统102可以被配直为向包 含低电压电池系统(例如，铅酸12V汽车蓄电池）的一个或多个其他蓄电池系统(未示出）提 供电功率，其将电能供应至包含例如车辆起动器系统(例如，起动器电动机)、照明系统、音 频系统、和/或类似物的各种车辆100系统。
[0038] 冷却系统106可以被耦接至FC系统102并且被配置为通过循环一个或多个冷却 剂从FC系统102除去热量(例如，在操作FC系统期间）。所述冷却系统106可以包括任何合 适数量的泵、阀、冷却剂循环路径(例如，管道)、冷却剂储存器、热交换器(例如，液体/液体、 液体/空气、液体/AC单元、及类似物)、冷却系统电子设备(例如，反馈机构、温度传感器、恒 温控制器、冷却剂流量传感器、泵和热交换器控制电子设备、及类似物)、和/或在任何合适 的配置中用于使冷却剂循环至被包含在FC系统102中的各种部件和系统的任何其他冷却 系统部件和/或系统。在某些实施例中，所述冷却系统106可以包括被包含在FC系统102 中的一个或多个双极板和/或与被包含在FC系统102中的一个或多个双极板相关联，所述 一个或多个双极板可以限定包含一个或多个热交换表面的一个或多个内部冷却通路，冷却 剂可以流动通过所述一个或多个内部冷却通路以从FC系统102除去热量。
[0039] 所述FC系统102和/或所述冷却系统106可以通信地与相关联的FC控制系统108 耦接。所述FC控制系统108可以被配置为监视并控制FC系统102、冷却系统106、和/或 其他相关联系统的某些操作。例如，所述FC控制系统108可以被配置为监视并控制FC系 统102的充电和/或放电操作。另外，所述FC控制系统108可以被配置为监视和/或控制 冷却系统106的冷却操作。在另外实施例中，内部车辆计算机系统(未示出）和/或任何其 他合适计算机系统可以被配置为监视并控制FC系统102和/或冷却系统106的某些操作。
[0040] 图2示出了符合在本文中所公开的实施例的常规FC组202配置的概念性电路图。 在FC组202的正终端与接地底盘200 (例如，车辆底盘和/或FC底盘）之间的正终端隔离 电阻可以用电阻器R1 206表示。在FC组202的负终端与接地底盘200之间的负终端隔离 电阻可以用电阻器R2 208表示。与冷却剂系统相关联的隔离电阻可以用电阻器Rc 204表 /_J、1 〇
[0041] 如上面所讨论的，FC系统可以具有相关联的泄漏和/或本体电流和/或隔离电阻 的安全要求。这样的要求可以根据泄漏和/或本体电流阈值来表达。例如，FC系统的示例 性泄漏和/或本体电流阈值可以是10mA。在所示出的概念性电路图的示例性配置中(在其 中FC组具有300V的电压、1ΜΩ的电阻器R1 206的电阻、1ΜΩ的电阻器R2 208的电阻、及 32让〇的冷却剂系统的隔离电阻)^(：系统的泄漏和/或本体电流("113。(1/'）可以根据公式1 被粗略估计： r 3CHW , 300F ? . "…、 hu,(iy 9·675 (公式 1) 因此，在前面提及的示例性FC系统配置中，泄漏和/或本体电流满足10mA的电流阈值 的安全要求。然而，为了满足这样的要求，32k Ω冷却剂系统隔离电阻被使用，其可以与较高 的电阻和/或较低的电导率冷却剂和/或较长的冷却剂路径相关联。
[0042] 图3示出了符合在本文中所公开的实施例的示例性FC组配置的概念性电路图。FC 组可以包括被配置为共用共同端部(例如，共同湿端部)的第一亚组300和第二亚组302。例 如，如图所示，所述第一亚组300的负终端和所述第二亚组302的正终端可以电气地耦接和 /或共用。在第一亚组300的正终端与接地底盘200 (例如，车辆底盘和/或FC底盘)之间 的隔离电阻可以用电阻器R1 306表示。在第二亚组302的负终端与接地底盘200之间的 隔离电阻可以用电阻器R2 308表示。与FC组的FC冷却剂系统相关联的隔离电阻可以用 Rc 304表示。
[0043] 在所示出的概念性电路图的示例性配置中（在其中每个亚组具有150V的电压、 1ΜΩ的电阻器R1 206的电阻、1ΜΩ的电阻器R2 208的电阻、及16kQ的冷却剂系统的隔 离电阻)，？(：系统的泄漏和/或本体电流("113。 (1/'）可以根据公式2被粗略估计： 1501/ 100V n 4 "V-P· 〇λ hmdv = ---^--= 9,675 (公式 2) 因此，在符合在本文中所公开的实施例的示例性FC系统配置中，为了满足10mA的电流 阈值的安全要求，16kQ冷却剂系统隔离电阻可以被使用(例如，在图2中所示的FC系统的 冷却剂系统隔离电阻的一半)。使用较小的冷却剂隔离电阻以满足电流阈值的安全要求可 以允许更多种多样的冷却剂类型与FC系统相结合使用（例如，具有较低的电阻和/或较高 的电导率的冷却剂)。而且，较短的冷却剂路径可以被用在FC系统的设计中，其可以允许FC 系统更容易制造并封装。
[0044] 图4示出了符合在本文中所公开的实施例的示例性FC组配置。所述FC组可以包 含第一亚组300和第二亚组302,所述第一亚组300和所述第二亚组302可以在中间电点处 共用共同终端，其在某些实施例中可以是亚组300,302的共同湿端部。例如，第一亚组300 可以包含正终端400和负终端402。第二亚组302可以包含负终端404和与第一亚组300 的负终端402共用的正终端406。一个或多个冷却剂路径408,410可以提供与在亚组300， 302与接地底盘200 (例如，FC和/或车辆底盘）之间的冷却剂隔离电阻相关联的某个电导 率的路径。
[0045] 如上面所讨论的，以前面提及的方式配置FC组以包括第一和第二亚组300, 302可 以允许冷却剂路径408,410比常规设计具有更低的隔离电阻，同时仍然满足泄漏和/或本 体电流和/或隔离电阻的安全要求。例如，在第一亚组300和第二亚组302各自以完整FC 组的全电压的一半操作的FC组中，FC组的冷却剂路径408,410可以展示出常规FC组的隔 离电阻的一半。较低的隔离电阻要求可以允许更高的可容许冷却剂电导率和可以在与FC 系统连接时被使用的合适冷却剂类型的更广泛范围。而且，更短的冷却剂路径408,410可 以允许完整FC系统的更容易制造和封装。
[0046] 图5示出了符合在本文中所公开的实施例的用于布置FC系统的示例性方法500 的流程图。在502处，所述方法可以被启动。在504处，包括第一多个电池的第一 FC亚组可 以被布置在FC系统中。在506处，包括第二多个电池的第二FC亚组可以被布置在FC系统 中。在508处，第一 FC亚组的第一终端可以对于第二FC亚组的第二终端具有电性。在某 些实施例中，这可以导致第一 FC亚组和第二FC亚组共用共同湿端部。在510处，冷却剂系 统可以被耦接至第一 FC亚组和第二FC亚组，其被配置为通过使冷却剂循环来除去在操作 FC系统期间由所述第一 FC亚组和所述第二FC亚组产生的热量。在512处，所述方法500 可以终止。
[0047] 虽然为了清晰目的前文已经在某种程度上详细地描述，但是将显而易见的是，在 不背离其原理的情况下可以做出某些改变和修改。例如，在某些实施例中，在本文中所公 开的系统和方法可以被用在不被包含在车辆中的FC系统中（例如，如同在备用功率源或类 似物中的)。要注意的是，存在实现在本文中描述的过程和系统这两者的许多替代方式。因 此，目前的实施例要被认为是说明性的而非限制性的，并且本发明不限于在本文中给出的 细节，而是可以在所附的权利要求的范围和等效物内被修改。
[0048] 前文的说明书已经参照各种实施例进行了描述。然而，本领域的普通技术人员将 了解，在不脱离本公开的范围的情况下可以做出各种修改和改变。例如，各个操作步骤，以 及用于实现操作步骤的部件，可以以交替的方式被实现，这取决于特定应用或鉴于与系统 的操作相关联的任何数量的成本函数。因此，任何一个或多个步骤可以被删除、被修改、或 与其他步骤组合。此外，本公开要以说明性而不是限制性的意义来考虑，并且所有这些修改 旨在包括在其范围内。同样地，上面已经关于各种实施例描述了益处、其它优势和问题解决 方案。然而，可能导致任何益处、优势或解决方案发生或变得更为显著的益处、优势、问题解 决方案和任何元件，不应被解释成关键、必需的或必要的特征或元件。
[0049] 如在本文中所使用的，术语"包括"和"包含"及其任何其它变型，旨在涵盖非排他 性包含物，以使得包括一系列元件的过程、方法、物品或装置并不仅仅包括这些元件，还可 以包括未明确列出的或对于这些过程、方法、物品或装置所固有的其它元件。同样，如在本 文中所使用的，术语"耦接的"、"耦接"及其任何其它变型，旨在涵盖物理连接、电气连接、磁 性连接、光学连接、通信连接、功能连接和/或任何其他连接。
[0050] 本领域技术人员将了解，在不背离本发明的基本原理的情况下可以对上面描述的 实施例的细节做出改变。因此，本发明的范围应仅由下列的权利要求确定。
【权利要求】
1. 一种燃料电池系统，包括： 第一燃料电池亚组，其包括第一多个电池； 第二燃料电池亚组，其包括第二多个电池，所述第二燃料电池亚组与所述第一燃料电 池亚组共用至少一个终端；以及 耦接至所述第一燃料电池亚组和所述第二燃料电池亚组的冷却剂系统，其被配置为使 用冷却剂除去在操作所述燃料电池系统期间由所述第一燃料电池亚组和所述第二燃料电 池亚组所产生的热量。
2. 根据权利要求1所述的燃料电池系统，其中，所述第一燃料电池亚组和所述第二燃 料电池亚组共用共同湿端部。
3. 根据权利要求1所述的燃料电池系统，其中，所述冷却剂系统被配置为使所述冷却 剂循环。
4. 根据权利要求1所述的燃料电池系统，其中，所述第一多个电池的电池和所述第二 多个电池的电池均通过双极板被分开。
5. 根据权利要求4所述的燃料电池系统，其中，所述双极板包括通道，所述冷却剂系统 被配置为使所述冷却剂循环通过所述通道。
6. 根据权利要求5所述的燃料电池系统，其中，所述双极板包括临近所述通道的热交 换表面。
7. 根据权利要求1所述的燃料电池系统，其中，所述第一燃料电池亚组和所述第二燃 料电池亚组均被配置为以所述燃料电池系统的全电压的一半操作。
8. 根据权利要求1所述的燃料电池系统，其中，所述第一燃料电池亚组和所述第二燃 料电池亚组均包括氢燃料电池组。
9. 根据权利要求1所述的燃料电池系统，其中，所述燃料电池系统包括质子交换隔膜 燃料电池系统。
10. -种方法，包括： 将包括第一多个电池的第一燃料电池亚组布置在燃料电池系统中； 将包括第二多个电池的第二燃料电池亚组布置在所述燃料电池系统中； 将所述第一燃料电池亚组的第一终端耦接至所述第二燃料电池亚组的第二终端；以及 将冷却剂系统耦接至所述第一燃料电池亚组和所述第二燃料电池亚组，其配置为使用 冷却剂除去在操作所述燃料电池系统期间由所述第一燃料电池亚组和所述第二燃料电池 亚组产生的热量。
【文档编号】H01M8/04GK104103843SQ201410127263
【公开日】2014年10月15日 申请日期:2014年4月1日 优先权日:2013年4月1日
【发明者】R.S.富利 申请人:通用汽车环球科技运作有限责任公司