[发明专利]集成式增压空气热交换器

说明书

技术领域

本发明涉及一种热交换器，更具体地涉及一种用于燃料电池组的集 成式增压空气热交换器。

背景技术

燃料电池已被提出为用于各种应用的清洁、高效和环境友好的电 源。燃料电池是电化学器件，其将诸如氢的燃料与诸如来自空气的氧的 氧化剂结合，以产生电以及副产品水。尤其地，能够将分立的燃料电池 串联地堆叠在一起，以形成能够足以向电动车辆提供动力的电量的燃料 电池组。燃料电池组已被看成是现代车辆中所使用的传统内燃机的潜在 替代品。

已知一种类型的燃料电池为质子交换膜(PEM)燃料电池组。PEM燃 料电池通常包括三个基本部件：负电极、正电极、和电解质膜。电解质 膜夹在阴极与阳极之间，该阴极与阳极又夹在导电透气扩散介质或扩散 层之间。扩散介质用作用阳极和阴极的集电器以及为燃料电池提供机械 支持。通常将扩散介质、电极、和电解质膜挤压在将燃料和氧化剂分配 至电极并完成PEM燃料电池的一对导电板之间。

燃料电池组通常具有使燃料电池组运行优化的期望温度范围。为了 在正常运行下将燃料电池组的温度保持在期望的温度范围内，通常采用 使冷却剂循环并从燃料电池组辐射余热的冷却剂系统。然而，在冷状态 下的燃料电池组的启动运行期间，必须使燃料电池组温度升高到期望的 范围。例如已知在启动运行期间用冷却剂加热器加热冷却剂。冷却剂加 热器包括电阻式电热元件。经加热的冷却剂用于提高燃料电池组的温 度。当燃料电池组产生足够的热量时脱开电阻式电热元件，以与冷却系 统共同维持期望的温度。从而根据需要调节燃料电池组的温度。

还已知用于从热压缩空气(诸如作为氧化剂供应至燃料电池组的空 气)传递热的增压空气冷却器(CAC)。通常，冷却剂加热器和增压空气 冷却器相互独立地运行。在授予Brun等人的EP1621378中公布了用于加 热空气的另一已知热交换器，在此该专利以参考的方式全文并入。 EP1621378描述了一种加热装置，其包括布置在波形金属肋之间的诸如 至少一个正温度系数(PTC)元件的自调节加热元件，用于对供应至汽车 舱室的空气加热。

冷却剂加热器和增压空气冷却器昂贵，并且可能容积效率低，常常 需要电动车辆内部中相当大的封装空间。这样的系统的采用不合需要地 增加燃料电池动力装置的设计和制造中的复杂性。为了防止供应至燃料 电池组的冷却剂过热，常规的电阻式电热元件还不合需要地需要附加的 元件部分。

存在对集成式增压空气热交换器的持续需求，其容积效率高、使燃 料电池系统的设计和制造复杂性最小、并降低燃料电池系统成本。令人 满意的是，该集成式增压空气热交换器将冷却剂加热器和增压空气冷却 器功能结合到单个单元中，并采用自调节的加热元件以在第一运行模式 中加热冷却剂，和在第二运行模式中加热或冷却增压气流。

发明内容

根据本发明，令人惊讶地发现了一种集成式增压空气热交换器，其 容积效率高、使燃料电池设计和制造复杂性最小、使燃料电池系统成本 最低、将冷却剂加热器和增压空气冷却器功能结合到单个单元中、并可 选地采用自调节的加热元件，以在第一运行模式中加热冷却剂和在第二 运行模式中冷却增压气流。

在一个实施例中，用于燃料电池组的集成式增压空气热交换器包括 适于冷却剂流体流动通过的多个冷却剂导管、多个加热元件、和适于气 流在周围流动的多个散热片元件。冷却剂导管之一具有第一表面和第二 表面。加热元件之一设置在第一表面上并且适于将热传递至冷却剂流 体。散热片元件之一设置在第二表面上并适于将热从气流传递至冷却剂 流体。

在另一实施例中，燃料电池系统包括燃料电池组、与燃料电池组流 体连通的集成式增压空气热交换器单元、和与集成式增压空气热交换器 单元的多个加热元件电连通的电源。

在又一实施例中，用于调节燃料电池组的温度的方法首先包括步 骤：令燃料电池组与冷却剂导管流体连通，该冷却剂导管适于向该燃料 电池组提供冷却剂流体，以调节该燃料电池组的温度。该方法还包括步 骤：启动燃料电池组；通过冷却剂导管将冷却剂流体供应至燃料电池组； 和通过利用加热元件加热冷却剂流体和利用围绕散热片元件流动的增 压气流加热冷却剂流体的方法之一，将冷却剂流体的温度保持在期望的 范围内。

附图说明