CN102991337A - 用于燃料电池车的冷却系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于燃料电池车的冷却装置，包括：单个一体式散热器，布置在车辆的前端，并被配置成通过与外部空气进行热交换对冷却液体进行冷却，以便一体地管理燃料电池堆和电力装置。更具体地，根据流动需求，将一体式散热器划分成第一高温区域和第二低温区域，以便利用流经高温区域的冷却液体对燃料电池堆进行冷却，利用流经低温区域的冷却液体对电力装置进行冷却。

Description

用于燃料电池车的冷却系统

技术领域

本发明涉及一种用于燃料电池车的冷却装置，更具体涉及一种能增大通过散热器的空气量的燃料电池车的冷却装置。

背景技术

燃料电池车的燃料电池将因氧气和氢气之间的化学反应所产生的化学能转化为电能以产生驱动力。在此过程中，在燃料电池的化学反应中产生热能，在此情况下，为确保燃料电池所需的性能，不可避免地要去除产生的热量。

图1是示意性示出燃料电池车的常规冷却模块一个例子的示意图。用于燃料电池车的冷却装置包括冷凝器1、散热器、和冷却风扇4，该冷却风扇4用于冷却包含诸如逆变器、电动机和燃料电池堆的电力装置在内的驱动系统。在此，散热器分为用于电力装置的散热器2和用于燃料电池堆的散热器3，二者独立安装。用于电力装置的散热器2布置在冷凝器1的下方，用于燃料电池堆的散热器3布置在冷凝器1与冷却风扇4之间。

经由用于电力装置的散热器2和用于燃料电池堆的散热器3，分别通过独立的循环线路，将冷却液体供应到电力装置和燃料电池堆，并且供应的冷却液体不间断地流入用于电力装置的散热器2和用于燃料电池堆的散热器3。重复该步骤使冷却液体循环流动，以冷却燃料电池车的电力装置和燃料电池堆。

同时，如图2所示，在空转或低速时，燃料电池堆仅产生少量热量，但是，与在内燃机中不同的是，随着车速的增加，燃料电池堆产生的热量也迅速增加。如图3所示，随着车速的增加，散热器的性能跟不上电池产生的热量。因此，在速度超过100kph时，常规散热器系统无法胜任。

此外，由于冷凝器和散热器2在车辆上的位置在很大程度上会阻挡空气，考虑到其的阻挡性能，必须大大增加冷却风扇4的容量(capacity)。此外，如果为了满足燃料电池堆的散热性能而增加散热器的尺寸，则系统的布局将变得复杂，且车辆的组装/前端碰撞特性也会因此劣化。

发明内容

本发明提供一种用于燃料电池车的冷却装置，其采用一体式散热器，并使用水冷却热交换器代替常规冷凝器和电力装置的散热器。更具体地，通过去除常规冷凝器和电力装置的散热器，可以使车辆前端的空气流阻挡元件的数量减到最少，从而可以减少和简化冷却模块并优化冷却风扇的性能。

一方面，本发明提供一种用于燃料电池车的冷却装置，包括：单个一体式散热器，布置在车辆的前端，并且被配置成通过与外部空气进行热交换对冷却液体进行冷却，以便一体地管理燃料电池堆和电力装置。根据冷却液体的流动形式，将一体式散热器划分成高温区域和低温区域，使得可以利用流经高温区域的冷却液体对燃料电池堆进行冷却，利用流经低温区域的冷却液体对电力装置进行冷却。

在一个示例性实施例中，高温区域和低温区域被布置在一体式散热器的同一平面上。在通过高温区域的同时被冷却之后，一部分用于冷却燃料电池堆的冷却液体冷却燃料电池堆，并且在顺次流过高温区域和低温区域的同时被额外地冷却之后，一部分用于燃料电池堆的冷却液体还用于冷却电力装置。

高温区域可以具有向下线性延伸的冷却液体通道，以向下引导用于燃料电池堆的冷却液体。低温区域具有冷却液体通道交替地向上和向下延伸的不规则的曲折形式的冷却液体通道，已经通过高温区域的冷却液体暴露于外部空气较长的时间以允许额外的冷却时间。

权利要求1的冷却装置还可包括板式热交换器，其被配置成通过利用流经一体式散热器以冷却电力装置的一部分冷却液体，与用于电力装置的冷却液体进行热交换，而对电力装置进行冷却。

在一些示例性实施例中，在从一体式散热器中排出的用于燃料电池堆的冷却液体通过板式热交换器之后，随后通过液体冷却热交换器使制冷剂凝结，用于燃料电池堆的冷却液体与从高温区域直接排出的用于燃料电池堆的冷却液体合并。

因此，本发明具有以下效应。

一体式散热器的散热效率不仅仅单独通过冷却电池堆、冷凝器、和电力装置而提高，而是通过利用流经单个一体式散热器的冷却液体，对燃料电池堆16和电力装置14一体地进行处理。

进一步地，根据冷却液体的流动形式，将一体式散热器10划分为高温区域和低温区域，使得在高温区域，大量冷却液体在短时间内被沿下游方向引导以冷却产生大量热量的燃料电池堆16，已经通过高温区域的冷却液体在低温区域以S形流动，以额外地进行冷却操作。因而，在低温区域中，仅产生少量热量的电力装置14可以通过用于燃料电池堆的冷却液体进行冷却。

而且，尽管风扇吹出的空气量通常被设置成高于燃料电池堆16的热量的最大值所需的空气量，然而在一般行驶条件或在散热器的冷却性能是最低限度时，还可以使用冷却装置来冷却车辆的其它部件。然而。因而，通过一体式散热器，可有效地对整个燃料电池车系统进行热管理。

此外，通过使用液体冷却热交换器来代替使用用于电力装置的散热器，即传统的空气冷却热交换器和冷凝器，可以减小安装在车辆前端的电力装置的散热器和冷凝器的空气阻力，可以简化车辆前端的冷却模块。此外，通过减小冷却模块的尺寸，可提高车辆的正面碰撞性能，从而可提高产值。

由于去除了用于电力装置的常规散热器和冷凝器，因此可以使通过车辆前端的格栅导入的空气的流阻最小，同时降低风扇电动机的容量。

此外，尽管风扇吹出的空气量通常被设置成多于应对燃料电池堆16产生的最大程度热量所需规格的空气量，当在一般行驶条件下或散热器的冷却性能是最低限度的时候，冷却装置也可用于冷却其他车辆部件。从而，整个燃料电池车系统可通过一体式散热器进行有效的热处理。

此外，使用水冷却热交换器代替用于电力装置的散热器，即，传统的空气冷却热交换器和冷凝器，由于安装在车辆前端的电力装置的散热器和冷凝器产成的空气阻力可被除去，因此有可能简化车辆前端的冷却模块。此外，减小冷却模块的尺寸可提高车辆的正面碰撞性能，有可能提高产值。

除去电力装置的传统散热器和冷凝器，可使通过车辆前端格栅导入的空气的流动阻力最小，同时降低风扇电动机的容量。

附图说明

本发明的上述或其它特征通过以下结合附图的特定示例性实施例被详细描述，其仅用于阐述而并非用于限制本发明，其中：

图1是示出用于燃料电池车常规冷却模块的一个例子的示意图；

图2示出由发动机和燃料电池堆所产生的热量对比的条形图；

图3示出基于冷却液体的温度对发动机和燃料电池堆产生的热量进行对比的条形图；

图4是根据本发明一个实施例具有一体式散热器的燃料电池车冷却装置的立体图；和

图5示意地示出图4中的冷却装置的主要元件的图解示意图。

具体实施方式

在下文中将通过结合附图详细地描述本发明的示例性实施例，以使本领域技术人员能够容易地实施本发明。

应该理解的是，本文中所使用的术语“车辆”或“车辆的”或其它类似的术语包括一般而言的机动车辆，比如包含运动型多用途车辆(SUV)、公共汽车、货车，各种商用车辆的客车、包含各种轮船和舰船的船只、飞行器等等，并且包括混合动力车辆、电动汽车、混合动力电动汽车、氢动力汽车和其它替代燃料汽车(例如，从除了石油以外的资源中取得的燃料)。

图4是根据本发明一个实施例的具有一体式散热器的燃料电池车冷却装置的立体图。图5是示出图4中的冷却装置的主要元件的示意图。本发明涉及一种用于车辆的冷却装置，其中冷却空气量的增加不受常规冷凝器和电力装置的散热器的影响。

根据本发明，用于燃料电池车的冷却装置包括一体式散热器10和冷却风扇11。冷却风扇11通过布置在车辆前端的散热器引导外部空气。风扇11可被暴露以使外部空气通过车辆前端的散热器格栅被导入到车辆中。一体式散热器10具有冷却液体在其中流动的冷却液体通道。在导入的外部冷却空气与流经冷却液体通道的冷却液体进行热交换之后，被冷却的冷却液体被供应到燃料电池堆16和电力装置14，并在其中循环。

一体式散热器10具有矩形形状。散热器的尺寸、流速和通量应被设计成能够处理在燃料电池车系统中产生的全部热量。根据流经散热器的冷却液体的流动类型，可将散热器划分成高温区域和低温区域。在此情况下，流经高温区域的冷却液体用于冷却燃料电池堆16，而流经低温区域的冷却液体用于冷却电力装置14(包括逆变器和电动机)。

高温区域比低温区域具有更大的散热区域。冷却液体从散热器上端线性地向下流动，在此情况下，流经高温区域的冷却液体的量大于流经低温区域的冷却液体的量。例如，流经高温区域的冷却液体的量可以是150-200升/分钟(LPM)。

当冷却液体垂直地线性流动时，冷却液体的量更大。然而，由于冷却液体从散热器的上端到下端的流动路径短，因而冷却液体暴露在外部空气的曝光时间，即与外部空气进行热交换的时间也短。因此，冷却液体在高温区域的温度要高于在低温区域的温度。

在低温区域的散热面积小于在高温区域的散热面积，冷却液体在散热器的上端以类似S形上下流动。然后，流经低温区域的冷却液体的量小于流经高温区域的冷却液体的量。例如，在低温区域流动的冷却液体的量可以是50-100LPM。

由于冷却液体在低温区域以类似S形流动，因此减少量的冷却液体将经由该区域流动。然而，因为沿散热器的垂直方向弯曲的流动路径比高温区域中的长，因此增加了用于与外部空气进行热交换的冷却液体的暴露时间，从而使低温区域中的温度比高温区域中所产生的温度更低。

第一冷却液体循环线路17连接在一体式散热器10与燃料电池堆16之间以冷却燃料电池堆16，因此冷却液体可以经由第一冷却循环线路17，循环通过燃料电池堆16和散热器以便冷却燃料电池堆16。冷却液体导入管10a形成于一体式散热器10的上端侧U(高温区域)，经燃料电池堆16加热的冷却液体通过冷却液体导入管10a被导入到散热器中。

第一冷却液体排出管10b形成在一体式散热器10的高温区域的下端侧L，流经高温区域的大部分冷却液体(被导入的冷却液体的三分之二左右)，通过第一冷却液体排出管10b排出，并被供应到燃料电池堆16。

第二冷却液体排出管10c形成在一体式散热器10的相反下端侧OL(低温区域)，流经高温区域和低温区域的冷却液体通过第二冷却液体排出管10c被排出，并被供应到板式热交换器13。冷却液体导入管10a和第一冷却液体排出管10b的直径优选地大于燃料电池堆16的第二冷却液体排出管10c的直径。

由于燃料电池堆16产生的热量大于电力装置14和冷凝器产生的热量，因此通过增大供应到燃料电池堆16的冷却液体的量，与常规系统相比，本发明允许车辆以更大的速度运行更长的时间。

此外，流经一体式散热器10内部(高温区域加低温区域)的冷却液体是用于燃料电池堆的冷却液体，其与用于电力装置的冷却液体有区别。也就是说，用于燃料电池堆的冷却液体是用于在循环通过燃料电池堆16内部的同时对燃料电池堆16进行冷却的液体，例如水，而用于电力装置的冷却液体是用于在循环通过诸如逆变器和电动机等电力装置14的内部和外部的同时对电力装置14进行冷却的液体。

本发明提供板式热交换器13以冷却电力装置14。板式热交换器13是用于冷却液体的热交换器，与用于燃料电池堆的冷却液体以及用于电力装置的冷却液体进行热交换，使得用于电力装置的冷却液体可以通过利用从一体式散热器10的低温区域排出的用于燃料电池堆的冷却液体被冷却。

板式热交换器13具有第一至第四端口13a至13d，用于同燃料电池堆的冷却液体和电力装置的冷却液体进行热交换。第一端口13a是进口，通过第一连接线路18连接到一体式散热器10的第二冷却液体排出管10c。冷却液体经由第一端口13a，从一体式散热器10的低温区域提供。

第二端口13b是出口，并且可以与第一端口13a对角地布置。第二端口13b通过第二连接线路20连接于冷却液体冷却冷凝器15，用于燃料电池堆的冷却液体可以通过第二端口13b被输送到冷却液体冷却冷凝器15。

第三端口13c和第四端口13d分别为进口和出口端口，第三端口13c和第四端口13d与电力装置相连。当用于电力装置的冷却液体通过第三端口13c被导入并且与待冷却的用于燃料电池堆的冷却液体进行热交换之后，经冷却的用于电力装置的冷却液体通过第四端口13d被排出并被供应给电力装置14。在这样做时，在板式热交换器13中，用于燃料电池堆的冷却液体与用于电力装置的冷却液体不应该被混合。

本发明还提供一种液体冷却冷凝器15，被配置成利用低温区域中用于燃料电池堆的例如水等冷却液体，以液体冷却的方式进行冷却并使制冷剂凝结。液体冷却冷凝器15通过第二连接线路20连接于板式热交换器13，使得低温区域中用于燃料电池堆的冷却液体从板式热交换器13被供应。

液体冷却冷凝器15通过第三连接线路21连接于第一冷却液体循环线路17，以使已流经液体冷却冷凝器15的低温区域中的用于燃料电池堆的冷却液体，被并入到高温区域中用于燃料电池堆的冷却液体中。在此情况下，板式热交换器13和液体冷却热交换器不属于利用外部空气的空气冷却类型，而是利用其中冷却液体的液体冷却类型。因此，板式热交换器13和液体冷却热交换器无需安装在车辆的前端，因而取代常规冷凝器和电力装置的散热器。

以下将描述根据本发明的用于燃料电池车的冷却装置的操作。

根据冷却液体沿着与车身长度方向相对的车身的宽度方向的同一板(plate)上的冷却液体的流动形式，将一体式散热器10分成高温区域和低温区域。在此情况下，高温区域具有沿下游方向的冷却液体通道。冷却液体流被垂直上下地线性引导通过该冷却液体通道结构，从而可以在将从燃料电池堆16导入到散热器中的冷却液体暴露于外部空气短时间的同时，对大量冷却液体进行冷却。

低温区域具有S形冷却液体通道，冷却液体流被沿着曲折的方向上下引导通过该冷却液体通道结构。因此，已流经高温区域的用于燃料电池堆的冷却液体可以在被额外地长时间暴露于外部空气的同时对少量冷却液体进行冷却。

下面将描述燃料电池堆的冷却液体的流向和操作。

通过一体式散热器10的冷却液体导入管10a，将燃料电池堆的冷却液体(例如，大约77℃)从燃料电池堆16导入到一体式散热器10的高温区域中，被导入到高温区域的大部分冷却液体通过高温区域的冷却液体通道向下游方向流动以与外部空气进行热交换。另外，已流经高温区域的一部分冷却液体流入低温区域中，以便与外部空气额外地进行热交换。

高温区域中用于燃料电池堆的冷却液体与外部空气进行热交换以便被冷却，已冷却的用于燃料电池堆的冷却液体(例如，68℃)通过第一冷却液体排出管10b排出，并通过第一冷却液体循环线路17被供应到燃料电池堆16。随后，被供应到燃料电池堆16的冷却液体通过燃料电池堆16循环以吸收由燃料电池堆16产生的热量，从而通过加热流经燃料电池堆16的液体对其进行冷却。

接着，被加热的用于燃料电池堆的冷却液体通过第一冷却液体循环线路17返回到一体式散热器10以被冷却，利用这个过程，冷却液体持续地循环以冷却燃料电池堆16。

将已在低温区域额外地进行热交换的冷却液体冷却到一定温度(例如，50℃)，该温度低于高温区域中的冷却液体的温度，冷却液体通过第二冷却液体排出管10c排出，并通过第一连接线路18输送到板式热交换器13。

随后，已被导入到板式热交换器13中的低温区域中用于燃料电池堆的冷却液体，利用板式热交换器13与用于电力装置的冷却液体进行热交换，以冷却用于电力装置的冷却液体。即，板式热交换器13可以通过利用从一体式散热器10的低温区域提供的用于燃料电池堆的一部分冷却液体，对电力装置14进行冷却。

换句话说，已被板式热交换器13冷却的电力装置的冷却液体，通过第二冷却液体循环线路19被导入到电力装置14，在电力装置14由循环流经其的冷却液体冷却之后，冷却液体返回到板式热交换器13，以便通过上述步骤对电力装置14进行反复循环冷却。

随后，低温区域中的燃料电池堆的冷却液体在板式热交换器13中进行热交换并且接着通过第二连接线路20流入到液体冷却冷凝器15中之后，并在液体冷却冷凝器15中使制冷剂凝结，而后流经第二连接线路20，以便与高温区域中用于燃料电池堆的冷却液体合并/交汇在一起。

根据本发明，一体式散热器的散热效率不是单独通过冷却电池堆、冷凝器、和电力装置而提高，而是通过利用以不同的速率和不同的温度流经单个一体式散热器的冷却液体，对燃料电池堆16和电力装置14进行一体管理。

此外，根据冷却液体的流速和温度需求(即，冷却需求)，将一体式散热器10分成高温区域和低温区域，使得高温区域中大量的冷却液体在短时间内沿下游方向被引导，以冷却产生大量热量的燃料电池堆16。此外，已经流过高温区域的一部分冷却液体在低温区域中以类似S形流动，以便额外地对电气装置执行冷却操作。因而，通过利用低温区域中用于燃料电池堆的冷却液体，可以对产生少量热量的电力装置14进行冷却。

而且，尽管风扇吹出的空气量通常被设置成高于燃料电池堆16的最大量的热量所需规格的空气量，然而在车辆不是以高速行驶或在散热器的冷却性能为最低限度时，不必供应空气量。然而，在正常条件下，本发明不要求风扇被配置成吹出比在正常情况下冷却液体所需的空气量更多的量。因而，通过一体式散热器，可有效地对整个燃料电池车系统进行热管理。

此外，通过使用液体冷却热交换器来代替使用用于电力装置的附加散热器，即常规的空气冷却热交换器和冷凝器，可以减小安装在车辆前端的电力装置的散热器和冷凝器的空气阻力，可以简化车辆前端的冷却模块。此外，通过减小冷却模块的尺寸，可提高车辆的正面碰撞性能，从而可提高产值。

最后，由于除去了电力装置的常规散热器和冷凝器，可以使通过车辆前端的格栅导入的空气的流阻最小，同时降低风扇电动机的容量。

已出于解释和说明的目的，对本发明的具体示例性实施例进行描述。这些描述不是用于穷举或限制本发明为公开的特定形式，且显然地许多修改和变化根据上述教导是可能的。这些示范性实施例的选择和描述是为了揭示本发明的特定原理和它们的实际应用，由此使得本领域技术人员实施和使用本发明得各种示范性实施例，以及其各种替换和修改。本发明的范围由所附权利要求及其等效物来限定。

Claims (7)

1.一种用于燃料电池车的冷却装置，包括：

单个一体式散热器，布置在所述燃料电池车的前端，并且被配置成通过与外部空气进行热交换对冷却液体进行冷却，以便一体地管理燃料电池堆和电力装置，

其中根据冷却液体的冷却需求，将所述一体式散热器划分成第一区域和第二区域，其中利用流经所述第一区域的冷却液体对所述燃料电池堆进行冷却，利用流经所述第二区域的冷却液体对所述电力装置进行冷却。

2.如权利要求1所述的冷却装置，其中所述第一区域和所述第二区域被布置在所述一体式散热器的同一平面上，其中一部分冷却液体仅仅通过所述第一区域并循环返回到所述燃料电池堆中，一部分冷却液体顺次通过高温区域和低温区域，从而额外地冷却所述燃料电池堆或者同时冷却所述燃料电池堆和所述电力装置。

3.如权利要求2所述的冷却装置，其中所述第一区域为高温区域，所述高温区域具有向下线性延伸的冷却液体通道，以向下引导用于所述燃料电池堆的冷却液体。

4.如权利要求2所述的冷却装置，其中所述第二区域为低温区域，所述低温区域具有所述冷却液体通道交替地向上和向下延伸的曲折的S形的冷却液体通道，已经通过所述第一区域和所述第二区域的冷却液体，与仅通过所述第一区域的冷却液体相比，其暴露在外部冷却空气中的时间更长，以便额外地冷却所述冷却液体。

5.如权利要求1所述的冷却装置，还包括板式热交换器，所述板式热交换器被配置成通过利用流经所述一体式散热器以冷却所述电力装置的一部分冷却液体与用于所述电力装置的冷却液体进行热交换而对所述电力装置进行冷却。

6.如权利要求5所述的冷却装置，其中在从所述一体式散热器中排出的用于所述燃料电池堆的冷却液体通过所述板式热交换器之后，由液体冷却热交换器使制冷剂凝结，并且用于所述燃料电池堆的冷却液体与从所述第一区域排出的用于所述燃料电池堆的冷却液体交汇。

7.一种冷却系统，包括：

单个一体式散热器，被配置成通过与经由所述散热器吹出的空气进行热交换而对第一液体进行冷却，其中根据所述第一液体的流动需求，将所述一体式散热器划分成第一区域和第二区域，其中利用流经所述第一区域和所述第二区域的所述第一液体的第一部分对燃料电池堆进行冷却，利用流经所述第二区域的所述第一液体的第二部分对电力装置进行冷却；

热交换器，被配置成在从所述第二区域排出的所述第一液体的所述第二部分与用于冷却电力装置的所述第二液体之间进行热交换；和

冷凝器，被配置成降低从所述热交换器排出的所述第一液体的所述第二部分的温度。

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