燃料电池组冷却剂热质量的控制和加热的制作方法
【技术领域】
[0001 ] 本公开涉及用于在冷启动和正常工作期间控制和加热燃料电池组的冷却剂热质量的系统和方法。
【背景技术】
[0002]当例如电动车辆中在低至-30°C至_40°C的冰点温度下启动燃料电池系统时，使结冰作用最少是重要的。通过燃料电池的电化学反应产生的水会快速地凝固成冰，从而导致催化剂和材料的降解加速，并且妨碍启动。另外，理想的是允许燃料电池的温度升高，因为燃料电池的功率输出在较冷工作温度下通常较低。
【发明内容】
[0003]一种燃料电池系统包括燃料电池组；冷却线路装置，冷却线路装置构造成使冷却剂经过燃料电池组；栗，栗构造成使冷却剂移动经过冷却线路装置；以及至少一个控制器，至少一个控制器被编程为:响应于燃料电池组在低于第一阈值的环境温度下的启动防止栗的致动从而促进冷却线路装置内的层流状态以加热燃料电池组。
[0004]一种燃料电池系统包括燃料电池组；冷却线路装置，冷却线路装置构造成使冷却剂经过燃料电池组；栗，栗构造成使冷却剂移动经过冷却线路装置；以及至少一个控制器，至少一个控制器被编程为:响应于燃料电池组在低于第一阈值的环境温度下的启动使栗以低于工作目标值的流率工作以减缓从燃料电池组到冷却剂的热传递并提高燃料电池组加热的速率。
[0005]一种燃料电池系统包括燃料电池组；冷却线路装置，冷却线路装置包括阀门并且构造成使冷却剂经过燃料电池组；栗，栗构造成使冷却剂移动经过冷却线路装置；以及至少一个控制器，至少一个控制器被编程为:响应于燃料电池组在低于第一阈值的环境温度下的启动配置阀门以由冷却线路装置的一部分形成用于燃料电池组的再循环路径以使燃料电池组与冷却线路装置的其余部分流体地隔离并且减小在启动期间被加热的冷却线路装置内的冷却剂的质量。
【附图说明】
[0006]图1是具有用于栗致动的控制器的燃料电池系统的示意图；
[0007]图2A和2B是在冷却线路装置中具有两个三通阀的燃料电池系统的示意图；
[0008]图3是在再循环路径中具有栗的燃料电池系统的示意图；以及
[0009]图4是包括一个加热器的燃料电池系统的示意图，该加热器用于再循环路径和冷却线路装置的其余部分两者。
【具体实施方式】
[0010]在此描述了本公开的实施方式。然而，应当理解的是，所公开的实施方式仅仅是示例，并且其他实施方式可以采用各种替代形式。附图未必按照比例绘制；一些特征可以被放大或缩小以示出特定组成部分的细节。因此，本文公开的具体结构和功能方面的细节不应被理解为限制性的，而是仅仅作为用于教导本领域技术人员以多种方式使用本发明的代表性基础。如本领域普通技术人员将理解的，关于任何一幅图示出和描述的各种特征可以与在一个或多个其他附图中示出的特征相组合，以产生没有明确示出或描述的实施方式。图示的特征的组合提供了用于一般的应用的代表性实施方式。然而，与本公开的教导相一致的特征的各种组合和修改可能对于特定的应用或执行方案而言是理想的。
[0011]循环通过燃料电池组的冷却剂是系统热质量的一部分，并且将在其循环通过电池组时用作冷源(heat sink)，因而延缓电池组加热和功率产生。一般的电池冷却系统具有包含在车辆冷却系统中的大量冷却剂。需要这种较大量的冷却剂以有效地在燃料电池系统以正常功率输出工作时冷却燃料电池系统。然而，冷却系统的热质量可能阻碍冰点以下的温度下系统的加热。
[0012]本文描述的某些实施方式可以解决由于冷却剂流体的较大热质量而导致的寒冷气候下启动缓慢且困难的问题。用于燃料电池系统的冷却剂环路可以包括用来提供需要的流率的栗并且可能还包括用来加热冷却剂流体的加热器。加热器还可以用作燃料电池组的电负载。当燃料电池组在启动状态期间于低功率输出下工作时，可能需要用于燃料电池组的电负载。电负载也可以由诸如高电压电池或高电压电动马达的部件提供。在冷启动状态下，燃料电池在低电压下工作以产生热，并且需要负载以用于产生电流。
[0013]参照图1，示出了车辆108包括燃料电池系统110的实施方式。燃料电池系统110包括燃料电池组112、构造成使冷却剂经过电池组112的冷却线路装置114(以粗线示出)、以及控制器116。(冷却线路装置114也可以构造成经过散热器或者将热量转移至其他部件或者从其他部件转移热量。可以使用适当的阀门来旁通散热器等)。在某些实施方式中，加热器117可以设置在冷却线路装置114中。栗118可以用来移动冷却剂经过冷却线路装置114。电池组112、加热器117和栗118与控制器116 (以细线示出)通信或者处于控制器116的控制之下。尽管本实施方式使用控制器116，但具有输出的调节器或其他传感器也可以使用。
[0014]在燃料电池组112启动时，如果环境温度低于第一阈值，则控制器116可以被编程为通过开始电池组12的工作而作出响应并且防止栗118的致动。这导致冷却装置114内的层流状态(static flow condit1n)，以允许电池组112由于其自身的热量产生变热而不被冷却装置114冷却。当电池组112的温度低于第二温度阈值时，这种层流状态持续下去。控制器116或者另外的控制器可以被编程为响应于电池组112的温度超过第二温度阈值或者响应于与电池组112相关联的入口温度或出口温度而致动栗118。此时，燃料电池组112已经达到可以可靠地进行稳定工作的温度，或者冷却环路中的另外部件(例如加热器)需要用于其自身工作的冷却剂流。第一阈值例如可以低于_25°C或者更优选地低于_5°C。第二阈值例如可以是0°C或者更优选地大于5°C。当被致动时，栗18可以例如提供最低每分钟0.5升的恒定流量，或者可以被施加脉冲以提供间歇的流量。
[0015]在另一个实施方式中，由冷却装置的一部分建立再循环路径。该再循环路径将电池组冷却剂与系统的其余部分中的冷却剂隔离。该再循环路径还提供了使包含在其中的冷却剂的热质量最小化的机会，这使得电池组能够在需要时(例如在冰点状态下)保留住更多的由电池组产生的热量。该单独的再循环路径可以减小的流率工作或者在没有流动的状态下工作，以进一步减小在冷启动期间来自电池组的热损失。对于再循环路径中减小流率，该流率可以通过栗来控制或者可以通过使用可变阀门来控制。可以使用阀门将来自两个环路的冷却剂可变地混合在一起以避免热冲击。两个三通阀可以在正常工作期间将再循环路径连接至冷却装置的其余部分，以确保足够的散热能力和流率，从而移除由燃料电池产生的热量。
[0016]参照图2A，车辆208包括燃料电池系统210。燃料电池系统210包括燃料电池组212、栗218以及冷却线路装置234。冷却线路装置234包括第一三通阀236和第二三通阀238。控制器216构造成对三通阀236、238以及栗218进行致动。然而，可以使用单独的控制器来控制栗218或阀236、238。图3A中的阀236、238示出为被致动，以使得对于整个燃料电池系统210有一个冷却剂环路。(虚线表示不存在流动)
[0017]参照图2B，控制器216可以响应于燃料电池组212的启动配置阀236、238以形成与冷却线路装置234的其余部分隔离的用于电池组212的再循环路径232，以减小在启动期间被加热的流体的质量。在其他实施方式中，单独的阀236 (因此省略阀238)可以构造成形成与冷却线路装置234的其余部分流体隔离的用于电池组212的再循环路径232。
[0018]在另一个实施方式中，燃料电池系统包括燃料电池组以及具有栗和阀的冷却线路装置。冷却线路装置构造成使冷却剂经过电池组，并且提供了至少一个控制器且该至少一个控制器被编程为响应于电池组在低于第一阈值的环境温度下的启动而开始电池组的工作和栗的致动，从而促进例如小