燃料电池系统、其用途以及其操作方法技术方案

燃料电池系统(1)，包括燃料电池冷却回路(2)，所述燃料电池冷却回路(2)通过冷却剂/冷却剂热交换器(4)耦合到蓄电池冷却回路(3)以在所述燃料电池系统(1)的正常稳态操作期间通过所述蓄电池冷却回路(3)从所述燃料电池冷却回路(2)移除热量5。回路(2)移除热量5。回路(2)移除热量5。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】燃料电池系统、其用途以及其操作方法


[0001]本专利技术涉及燃料电池尤其是高温聚合物电解质膜燃料电池的冷却。明确地说，本专利技术涉及燃料电池系统及其操作方法以及其用途。

技术介绍

[0002]燃料电池在其操作期间产生热量，必须将所述热量移除以将温度保持在最佳范围内。例如，高温聚合物电解质膜(HT
‑
PEM)燃料电池，也称为聚合物交换膜燃料电池，具有在120℃至200℃的温度范围内(例如，约170℃)的工作温度。为了控制温度，尤其是在车辆中使用时，散热器通常用作热交换器，在所述热交换器中环境空气流冷却燃料电池冷却剂。
[0003]在车辆中，会出现另一个问题，即，蓄电池在低温下性能低下，尤其是在冰冻温度下。
[0004]在美国专利申请US2013/0022888(颁布为专利US9136549)中提出了对这个问题的解决方案，其中燃料电池通过具有对应散热器的一个冷却回路冷却，而蓄电池通过具有对应散热器的第二、独立的冷却回路冷却，并且其中当需要对蓄电池加热时，将所述两个冷却回路耦合，在这种情况下，热量通过热交换器从燃料电池冷却回路传递到蓄电池冷却回路。当电池不需要加热时，通过闭合截止阀来中断通过热交换器的流。
[0005]此外，WO2017/092853公开了燃料电池冷却回路与蓄电池冷却回路的热耦合，以便在低环境温度的情况下加热蓄电池。然而，在启动之后，蓄电池冷却剂停止流过热耦合热交换器。
[0006]用于燃料电池和蓄电池的冷却回路的其他组合在以下各案中进行讨论：WO2017/102449、US2019/0123406和US2013/0078486；中国专利申请CN109962268A；以及德国专利公开DE102018002708A1、DE102013218092A1和DE102015012108A1。
[0007]在车辆中，使冷却系统保持相对紧凑并尽量减轻重量是很重要的。这在SerEnergy的WO2017/148487中关于尤其在车辆中的HT
‑
PEM燃料电池进行了讨论，其中燃料电池冷却回路的小侧支路用于对一部分冷却剂进行冷却。侧支路包括散热器和调整阀。未流过侧支路的其余部分的冷却剂流入燃料电池上游的燃料蒸发器中，这也降低了旁通支路中冷却剂的温度。由于冷却剂只需要从170度冷却到160度，因此侧支路的尺寸可能相对较小，只有小部分的冷却剂流过侧支路并且随后在与流过蒸发器并且在其中通过热传递进行冷却以使燃料蒸发的该大部分冷却剂再结合之后流入燃料电池中。
[0008]如以上示例所示，一直在致力于改进并且需要改进用于汽车的燃料电池系统。

技术实现思路

[0009]因此，本专利技术的一个目标是提供对本领域的改进。明确地说，一个目标是提供一种例如用于车辆的紧凑型燃料电池系统。另一个目标是为在高温下操作的燃料电池(例如，HT
‑
PEM燃料电池系统)提供紧凑型冷却回路。这些目标中的一个或多个通过如权利要求中所述并且在下文中更详细地描述的燃料电池系统及其操作方法来实现。
[0010]简单来说，所述燃料电池系统包括燃料电池冷却回路，所述燃料电池冷却回路通过冷却剂/冷却剂热交换器耦合到单独的蓄电池冷却回路以通过蓄电池冷却回路来从燃料电池冷却回路移除热量。与上面引用的现有技术相比，这种热传递是在启动阶段之后在燃料电池系统的正常稳态操作期间完成的。
[0011]所述燃料电池系统包括燃料电池，通常是燃料电池堆。在本文中，术语燃料电池被用于单个燃料电池以及多个燃料电池(例如燃料电池堆)。燃料电池包括阳极侧和阴极侧以及它们之间的质子交换膜，用于在操作期间将氢离子从阳极侧穿过膜输送到阴极侧。燃料电池系统用于产生电力，例如用于驱动车辆，诸如汽车。为了为所产生的电力提供缓冲器，提供与燃料电池电连接的蓄电池系统。蓄电池系统还用于在启动情况下提供必要的电力。
[0012]燃料电池是在高温下操作的类型。术语“高温”是燃料电池
中常用和熟知的术语，并且指的是120℃以上的工作温度，与在较低温度下(例如，在70℃下)操作的低温燃料电池形成对照。通常，燃料电池在120℃至200℃的温度范围内操作，例如在160℃至185℃的范围内。
[0013]例如，燃料电池系统中的燃料电池是高温聚合物电解质膜燃料电池(HT
‑
PEM)。HT
‑
PEM燃料电池的正常工作温度是在120℃至200℃的温度范围内，例如在160℃至185℃的范围内。HT
‑
PEM燃料电池中的聚合物电解质膜PEM是基于无机酸的，通常是聚合物膜，例如掺杂有磷酸的聚苯并咪唑。HT
‑
PEM燃料电池在耐受相对较高的CO浓度方面是有利的，并且因此在重整器与燃料电池堆之间不需要PrOx反应器，这就是可以使用简单、重量轻且廉价的重整器的原因，这符合尤其为汽车工业提供紧凑型燃料电池系统的目的使系统的整体大小和重量最小化。
[0014]任选地，醇用作燃料电池的燃料(例如甲醇和水的混合物)的一部分。在蒸发器中，燃料在进入已加热的重整器之前被蒸发，其中燃料被催化反应成用于燃料电池的合成气，从而为燃料电池的阳极侧提供必要的氢气。作为燃料电池中的氧气源，通常使用空气并将其提供给阴极侧。空气的使用对于用于车辆的燃料电池系统来说是方便的。
[0015]由于燃料电池在高温下操作，如果吸收该热量的二次冷却剂在低得多的温度下操作，那么从燃料电池冷却剂吸收热量的冷却剂/冷却剂热交换器非常有效。在这种情况下，仅需要一小部分燃料电池冷却剂流过热交换器。这就是为什么散热器通常用于通过环境空气流来冷却冷却剂，例如在WO2017/148487中公开并且在其中针对车辆讨论。
[0016]在本专利技术中，小部分的燃料电池冷却剂流过冷却剂/冷却剂热交换器，所述冷却剂/冷却剂热交换器热耦合到蓄电池冷却回路以将热从燃料电池冷却剂传递到蓄电池冷却剂。所述冷却剂/冷却剂热交换器包括第一流动区域和第二流动区域，其间具有导热分隔壁。因此，第一流动区域与燃料电池冷却回路流动连接，以使燃料电池冷却剂从中流过，并且第二流动区域与蓄电池冷却回路流动连接，以使蓄电池冷却剂从中流过。
[0017]蓄电池冷却回路和蓄电池冷却剂与燃料电池冷却回路和燃料电池冷却剂分开。蓄电池的冷却回路包括热能移除器，通常包括散热器热交换器或者是散热器热交换器，用于从蓄电池冷却剂移除热能并且因此用于在启动之后在稳态正常操作期间维持蓄电池的稳态温度T
Bat
。蓄电池在正常操作稳态温度T
Bat
下操作，例如在20℃至60℃的范围内，任选地在20℃至40℃或40℃至60℃的范围内。燃料电池在正常操作期间在稳态温度T
FC
下操作，例如在175℃下，在这种情况下，在蓄电池下游的处于正常操作稳态温度T
Bat
(其明显低于T
FC
)的
蓄电池冷却剂可用于有效地将燃料电池制冷剂冷却到通常比T
FC
低10度本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种用于操作燃料电池系统的方法，所述燃料电池系统(1)包括
‑
燃料电池(6)，所述燃料电池(6)在启动之后在稳态正常操作期间具有稳态温度T
FC
；
‑
燃料电池冷却回路(2)，所述燃料电池冷却回路(2)具有用于冷却所述燃料电池(6)的燃料电池冷却剂，所述燃料电池冷却回路(2)被配置用于在启动之后在所述稳态正常操作期间维持所述燃料电池(6)的所述稳态温度T
FC
；
‑
蓄电池(14)，所述蓄电池(14)在启动之后在所述稳态正常操作期间具有稳态温度T
Bat
，其中T
Bat
低于T
FC
；
‑
蓄电池冷却回路(3)，所述蓄电池冷却回路(3)具有用于冷却所述蓄电池(14)的蓄电池冷却剂，其中所述蓄电池冷却回路(3)包括用于从所述蓄电池冷却剂移除热能以在启动之后在稳态正常操作期间维持所述蓄电池(14)的所述稳态温度T
Bat
的热能移除器(13)；其中所述蓄电池冷却回路(3)和所述蓄电池冷却剂与所述燃料电池冷却回路(2)和所述燃料电池冷却剂分开；
‑
冷却剂/冷却剂热交换器(4)，所述冷却剂/冷却剂热交换器将所述燃料电池冷却回路(2)与所述蓄电池冷却回路(3)热耦合以进行从所述燃料电池冷却剂到所述蓄电池冷却剂的热传递，所述冷却剂/冷却剂热交换器(4)包括第一流动区域和第二流动区域，所述第一流动区域与所述第二流动区域之间具有导热分隔壁，其中所述第一流动区域流动连接到所述燃料电池冷却回路(2)以使冷却剂从中流过，并且其中所述第二流动区域流动连接到所述蓄电池冷却回路(3)以使蓄电池冷却剂从中流过；其特征在于所述方法包括通过以下步骤来维持所述燃料电池(6)的所述稳态温度T
FC
：通过在启动之后在正常操作期间不断地通过所述冷却剂/冷却剂热交换器(4)将热能从所述燃料电池冷却剂传递到所述蓄电池冷却剂来从所述燃料电池(6)移除热能；以及通过所述热能移除器(13)从所述蓄电池冷却剂移除所述热能以在所述蓄电池(14)中维持T
Bat
。2.根据权利要求1所述的方法，其中所述热能移除器(13)在所述蓄电池冷却回路(3)中位于所述冷却剂/冷却剂热交换器(4)下游和所述蓄电池(14)上游并且在所述冷却剂/冷却剂热交换器(4)与所述蓄电池(14)之间的流动方向上，从而在操作时在所述蓄电池冷却剂进入所述蓄电池(14)之前通过所述热能移除器(13)冷却所述冷却剂/冷却剂热交换器(4)下游的所述蓄电池冷却剂，其中所述方法包括在所述燃料电池系统(1)的稳态操作期间，在所述蓄电池冷却回路(3)中的所述蓄电池冷却剂的冷却循环期间，将热能从所述蓄电池(14)传递到所述蓄电池冷却剂以在所述蓄电池(14)中维持所述稳态温度T
Bat
，随后在所述冷却剂/冷却剂热交换器(4)中将其他热能从所述燃料电池冷却剂传递到所述蓄电池冷却剂，并且随后通过使用所述热能移除器(13)移除所述蓄电池冷却剂已从所述蓄电池(14)并且从所述燃料电池冷却剂吸收的所述热能，以在所述蓄电池冷却剂以冷却温度T
冷却
再次进入所述蓄电池(14)之前达到所述蓄电池冷却剂的所述冷却温度T
冷却
，其中所述冷却温度T
冷却
低于T
Bat
以便使所述冷却剂从所述蓄电池(14)吸收热能。3.根据权利要求2所述的方法，其中T
冷却
比T
Bat
低至少5度。4.根据权利要求2或3所述的方法，其中所述热能移除器包括散热器热交换器(13)或由散热器热交换器(13)组成以利用通过所述散热器热交换器(13)的环境空气流通过所述散热器热交换器(13)来将热能从所述蓄电池冷却剂移除；其中所述方法包括通过以下步骤来维持所述燃料电池(6)的所述稳态温度T
FC
：将足够的热能从所述燃料电池冷却回路(2)移除
到所述蓄电池冷却回路(3)；以及通过所述蓄电池冷却回路(3)的所述散热器热交换器(13)从所述蓄电池回路(3)释放热能。5.根据权利要求4所述的方法，其中仅所述蓄电池冷却回路(3)而不是所述燃料电池冷却回路(2)包括散热器热交换器，用于利用环境空气通过所述散热器热交换器从所述蓄电池冷却剂移除热能。6.根据任一前述权利要求所述的方法，其中T
FC
在120℃至200℃的范围内，例如在160℃至185℃的范围内，并且T
Bat
在25℃至60℃的范围内。7.根据任一前述权利要求所述的方法，其中所述燃料电池冷却回路(2)包括用于将所述燃料电池冷却剂泵抽通过所述燃料电池冷却回路(2)的燃料电池冷却剂泵(5)；其中所述燃料电池冷却回路(2)包括主回路(2A)和侧支路(2B)，其中所述主回路包括按以下顺序的连续流：从所述燃料电池冷却剂泵(5)到分裂点(7)、从所述分裂点(7)到所述燃料电池(6)、从所述燃料电池(6)到汇合点(10)、从所述汇合点(10)到所述燃料电池冷却剂泵(5)；其中所述侧支路(2B)包括按以下顺序的连续流：从所述分裂点(7)到所述冷却剂/冷却剂热交换器(4)并且从所述冷却剂/冷却剂热交换器(4)到所述汇合点(10)；其中所述方法包括在所述分裂点(7)处将所述燃料电池冷却剂分为两个部分，其中第一部分通过所述燃料电池(6)并且第二部分通过所述冷却剂/冷却剂热交换器(4)。8.根据权利要求7所述的方法，其中所述燃料电池系统(1)包括控制器(15)，所述控制器用于控制所述燃料电池系统(1)的操作，包括所述燃料电池(6)的所述温度，其中所述侧支路(2B)包括功能性地连接到所述控制器(15)的调整阀(9)，其中所述调整阀(9)不具有截止能力并且只能在通过所述调整阀(9)和通过所述侧支路(2B)的最大流量水平与最小流量水平之间进行调整，其中所述最小流量水平仅大于零，并且其中所述方法包括作为用于控制所述主回路(2A)中所述燃料电池冷却剂的温度T
主
和所述稳态燃料电池温度T
FC
的措施，在所述控制器(15)的控制下通过所述调整阀(9)自动地在所述最小流量水平与所述最大流量水平之间对流量进行调整。9.根据权利要求8所述的方法，其中T
主
在比T
FC
低10度至20度的范围内。10.根据权利要求7或8所述的方法，其中所述第一部分小于所述第二部分的50％。11.根据任一前述权利要求所述的方法，其中所述燃料电池系统(1)包括用于使燃料蒸发的燃料蒸发器(11)，其中所述燃料蒸发器(11)在所述燃料电池冷却回路(2)中在所述燃料电池(6)下游但是在所述冷却剂/冷却剂热交换器(4)上游的位置处热耦合到所述燃料电池冷却回路(2)，以利用所述燃料电池冷却回路(2)中的具有最高温度区域的区域；并且其中所述方法包括通过首先流过所述蒸发器(11)来降低从所述燃料电池(6)流出的所述燃料电池冷却剂的温度并且随后通过继续流过所述冷却剂/冷却剂热交换器(4)来进一步降低所述温度。12.根据权利要求7至10中任一项所述的方法，其中所述燃料电池系统(1)包括用于使燃料蒸发的燃料蒸发器(11)，其中所述燃料蒸发器(11)在所述燃料电池冷却回路(2)中在所述燃料电池(6)下游但是在所述冷却剂/冷却剂热交换器(4)上游的位置处热耦合到所述燃料电池冷却回路(2)，以利用所述燃料电池冷却回路(2)中的具有最高温度区域的区域；并且其中所述方法包括通过首先流过所述蒸发器(11)来降低从所述燃料电池(6)流出的所述燃料电池冷却剂的所述温度并且随后通过继续流过所述冷却剂/冷却剂热交换器(4)来
进一步降低所述温度；其中所述燃料蒸发器(11)在所述燃料电池冷却回路(2)中在所述燃料电池(6)与所述汇合点(10)之间在所述燃料电池(6)下游但是在所述汇合点(10)上游的位置处热耦合到所述燃料电池冷却回路(2)；其中所述方法包括在来自所述燃料电池(6)的所述冷却剂与来自所述冷却剂/冷却剂热交换器(4)的所述冷却剂在所述汇合点(10)处混合之前通过与所述蒸发器(11)进行热交换来降低所述燃料电池(6)下游的所述燃料电池冷却剂的所述温度。13.一种燃料电池...

【专利技术属性】
技术研发人员：麦斯，
申请(专利权)人：蓝界科技控股公司，
类型：发明
国别省市：