CN105409043B - 具有一个冷却剂回路的燃料电池*** - Google Patents

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Abstract

本发明的实施例提供单个冷却剂回路(40)，单个冷却剂回路(40)可以用于冷却通常可以在两个不同温度下操作的至少两个***(100、26)。不是提供可以提供两个不同冷却温度的两个分立的冷却回路，提供了可以路由、约束、以及混合经加热的冷却剂的单个冷却回路(40)，使得单个回路可以服务于两个***。

Description

具有一个冷却剂回路的燃料电池***
相关申请的交叉引用
本申请要求2013年7月23日提交的，题目为“Fuel Cell System with OneCoolant Loop”的序号61/857,422的美国临时申请的权益，其全部公开内容通过引用并入于此。
技术领域
本公开的实施例总体上涉及提供用于冷却至少两个***的单个冷却回路的***。在特定实施例中，要被冷却的***可以是燃料电池***和其相关的电子部件中的一个或者多个电子部件。冷却回路可以在诸如飞机之类的载具上机载使用。
背景技术
大量的人每天经由飞机、火车、公交车以及其它载具旅行。这种载具通常被提供有对乘客舒适性和满意度来说重要的部件。例如，客机(商用飞机和私人飞机两者)可以具有餐饮装备、加热/冷却***、盥洗室、热水器、电动座椅、乘客娱乐单元、照明***、以及其它部件。飞机机载的这些部件中的若干部件需要电力以用于它们激活。虽然这些部件中的很多部件与运行飞机实际上所需要的电部件(即导航***、油量表、飞行控制、以及液压***)分离，关于这些部件的持续忧虑是它们的能量消耗。通常，相比于可以从飞机引擎的驱动发电机所抽取的电力而言，这种***需要更多的电力，从而需要附加的功率源，诸如燃油辅助动力单元(APU)(或者如果飞机尚未在飞行中，通过地面动力单元)。来自这些功率源的能量可能必须行进很长距离到达消耗功率的部件，从而导致传输期间的功率损耗和功率***的整体效率的降低。总的能量消耗还可能相当大，尤其对于具有数百名乘客的长途飞行而言，并且可能需要大量的化石燃料以用于操作。此外，飞机功率的使用通常产生噪音和CO2排放，期望这两者均减少。
相对新的燃料电池***技术提供了有希望更清洁和更安静的方式以补充已经在商用飞机上的能量源。燃料电池***通过将液态、气态或者固态氢燃料源与诸如空气中的氧、压缩氧或者化学氧生成之类的氧源化合，产生作为主产物的电能。燃料电池***具有除电力之外的若干输出，并且这些其它输出通常不被利用并且因此变成废物。例如，热力(热量)、水、以及贫氧空气(ODA)作为副产物产生。这些副产物与来自当前飞机功率生成过程的CO2排放相比害处小得多。
然而，燃料电池***和其相关电子部件在其使用期间的某些时刻需要被冷却以防止过热。通常情况下，提供两个分立的冷却回路——一个用于燃料电池***并且一个用于其相关的电子部件。然而，这给飞机***添加了重量和附加的复杂度，这是不期望的。
发明内容
本文所描述的实施例因此提供单个冷却剂回路，该单个冷却剂回路可以用于冷却通常可以在两个不同温度下操作的至少两个***。不是提供其可以提供两个不同冷却温度的两个分立的冷却回路，提供了单个冷却回路，该单个冷却回路可以在各种温度下路由、约束、以及混合经加热的冷却剂，使得单个回路可以服务于两个***。
在具体实施例中，提供有单个冷却剂回路，该单个冷却剂回路用于冷却同一回路中的燃料电池***和一个或者多个电子部件。冷却剂回路可以包括用于将冷却剂流体移动通过回路的冷却剂泵和用于将冷却剂流体路由通过两个路径之一的分布器。第一路径可以将冷却剂流体递送通过低温度热量交换器，并且接着沿着该路径以冷却一个或者多个电子部件。第二路径可以绕过电子部件。这一路径维持更高的温度，因为其不经过低温度热量交换器。第一和第二路径可以在冷却剂混合器处汇合，该冷却剂混合器将来自第一路径的冷却剂与来自第二路径的冷却剂组合。离开冷却剂混合器的冷却剂具有期望的温度以冷却燃料电池***，并且其可以被递送到燃料电池***。
用于冷却燃料电池***的冷却剂与其进入时的温度相比，以更高的温度离开燃料电池***。离开燃料电池的较暖的冷却剂(i)被路由到热量储存单元或者(ii)绕过热量储存单元。绕过的流体可以被递送到分布器以再次重新路由通过***，或者它可以被递送通过预热回路，其中绕过的流体被递送回到燃料电池以便递送用于其启动的温暖性。
附图说明
图1示出了示意性燃料电池***、其输入、以及其副产物。这一示意图图示了副产物可以在飞机机载的各种位置中使用。
图2示出了用于冷却燃料电池***和电子部件的两个分立热线路的示意图。
图3示出了单个冷却剂回路的示意图。
图4示出了可选冷却剂热量转移的流程图。
具体实施方式
在以下描述中，将描述本发明的各种实施例。为了解释性目的，阐述了特定配置和细节，以便于提供对实施例的透彻理解。然而，对于本领域技术人员还将明显的是，可以实践本发明而无这些特定细节。此外，可以省略或者简化众所周知的特征，以便于不会使得所描述的实施例模糊不清。
虽然本文中描述的实施例找到了客机机载的特定用途并且总体上就其进行描述，应该理解的是，***可以在其它载具上使用，诸如公交车、火车、航天器、水上船舰、或者装备有一个或者多个燃料电池***的任何其它适当的运输载具。因此，虽然在本文中关于飞机中的使用讨论了燃料电池技术，但是该燃料电池技术绝不限于此并且可以用于任何其它载具中。
燃料电池***可以在飞机(或者其它载具)上机载使用以生成功率。功率可以被路由以用于任何适当的用途。更具体地，燃料电池***是如下设备，该设备将来自包含氢或者其它燃料源和富氧气体(例如空气)的化学反应的化学能转换为电能。如图1所示，燃料电池***100将氢或者另一燃料源输入110与氧和/或空气输入120化合以生成电能(功率)160。
如示出的，连同所生成的电能160，燃料电池***100产生作为副产物的水170、热力(热量)150、以及贫氧空气(ODA)140。如图1进一步所示，电能160、热量150、水170、以及ODA 140中的燃料电池输出产物中的一些或者所有可以用于操作飞机机载的***。
例如，燃料电池输出产物可以被供应到飞机的操作***，诸如但不限于飞机机载的盥洗室182或者厨房184***。输出产物可以附加地和/或备选地被路由到其它操作***或者区域，以用于在这种输出产物有用的地方使用，包括但不限于将热量或经加热的水路由到机翼以防冰、路由到淋浴器、路由到水箱以使用于洗手的水变暖、路由到厨房以使用于热水锅炉的水变暖、路由到客舱、路由到乘客座椅、或者路由到任何其它位置。在其它实施例中，贫氧空气可以被路由到燃料箱、乘客座椅、或者任何其它位置。在任何给定位置可以利用一种或者多于一种输出产物，并且在一个或者多个位置可以利用任何给定的输出产物。
利用燃料电池输出产物的飞机***的示例性但非限制性示例被公开在至少以下共同未决的申请中：2013年3月13日提交的题目为“Fuel Cell System Powered Lavatory”的第PCT/US13/030638号国际专利申请；2013年3月13日提交的题目为“Power ManagementFor Galley With Fuel Cell”的第PCT/IB2013/052004号国际专利申请；2013年3月13日提交的题目为“Wing Ice Protection System Based On A Fuel Cell”的第PCT/IB2013/051981号国际专利申请；以及2013年3月13日提交的题目为“Vehicle Seat Powered ByFuel Cell”的第PCT/IB2013/051979号国际专利申请。
因此，来自燃料电池***功率生成的副产物(诸如热量150、水170、以及ODA 140)可以被路由到飞机(或者其它载具)机载的其它***以用于进一步使用。不将热量150引导到机载有益用途，热量将以其它方式被驱除到环境中。这会对可能需要在使用中被冷却的(热量所被驱除的区域中的)电子设备和其它装备有不利的影响。
由于由燃料电池***100的操作生成的热量，燃料电池***100需要在使用中被冷却。标准的低温度燃料电池在大约60至80摄氏度下操作。如图2所示，可以提供燃料电池冷却回路10。这一冷却回路10使用沿着所示的路径流动的冷却流体。冷却流体可以经由冷却剂泵12沿着路径被路由。冷却剂泵12将流体路由到阀门14。这一阀门14一般为三通阀，该三通阀可以将冷却流体路由到去离子器***16，或者可以路由冷却流体以允许流体向前行进到高温度热量交换器18。
一般使用基于水的冷却剂流体(例如，通常为防冻液(Glysantin))冷却燃料电池100，对于这种冷却剂流体而言，电导率必须维持在低水平。因此，阀门可以将流体路由到去离子器***16以移除使得流体导电的离子(因为导电流体可能对燃料电池***100有害)。例如，如果流体的电导率增加，阀门14可以将流体路由到***16。如果流体的电导率处于可接受水平，则阀门14可以代替地将流体引导到热量交换器18。
高温度热量交换器18可以将热量从流体转移到周围空气，以便将已经被冷却的流体递送到燃料电池***100。燃料电池100然后通过离开热量交换器18的经冷却的流体冷却到期望的温度。在流体冷却了燃料电池***100之后，流体通过燃料电池***热调节单元20进行热调节。这是可能是必要的，因为燃料电池***100需要向其馈送的氧和/或空气以创建期望的反应。被馈送到燃料电池100的气体或者作为燃料电池反应的副产物的气体可能需要被调节。冷却剂泵12然后继续按需要将流体移动通过***。
图2还示出用于冷却载具机载的电子设备***的不相关的第二冷却回路22。大多数电子设备***在大约50至60摄氏度之间操作。这一第二冷却回路22也使用冷却剂泵24将流体移动通过回路22。冷却剂泵24将经冷却的流体递送到要被冷却的电子部件26。在流体冷却了电子部件26之后，流体可以通过热调节单元28进行热调节。在一个实施例中，热调节单元可以是空气冷却器。冷却剂泵12然后继续将流体移动通过低温度热量交换器30。
使用这两个分立的冷却回路12、22通常是必要的，因为要被冷却的不同***的不同冷却温度。所使用的冷却剂流体可以是二元醇和水的混合物、防冻液、乙二醇、或者任何其它冷却剂。
然而，提供两个分立冷却回路不是最优的。使用两个分立的回路需要两个分立的冷却泵和具有鼓风机的两个分立的热量交换器单元。然而，减少载具并且特别是飞机机载的重量是首要考虑。然而因为燃料电池和其关联的电子部件(或者飞机机载的其它电子部件)的操作温度不是相同的，组合冷却回路到目前为止尚不可能。
如图3所示，本发明人确定了如何将冷却***组合到一个冷却剂回路40中。这一单个冷却剂回路40将冷却流体路由到燃料电池***100和机载电子部件26(可以是燃料电池电子设备或者任何其它电子设备)两者。这是有益的，因为其使用单个泵和单个热量交换器。
对于这一单个冷却回路40而言，实现期望的温度差的一个方式是通过将由燃料电池***100生成的热量150约束在热量存储单元42中以稍后在载具上机载使用。燃料电池***100的操作生成热量150。此热量可以用于通过被传输通过燃料电池***热调节单元44而对在***中使用的气体进行调节或者再调节。接着，此热量可以被存储在热量存储单元34中。热量存储单元34可以是水储存器、热动力循环、相变材料、或者用于存储热量以用于稍后使用的任何其它手段。例如，热量可以用于其它用途，诸如用于再填充水锅炉、使洗手水变暖、或者任何其它机载用途。热量的这一再使用可以帮助减少需要由燃料电池100供应的电能并且可以改进全局***效率。
可以提供***控制器46，其可以根据飞机对作为燃料电池副产物的热量150的需要，来协调通过冷却回路40的流。例如，***控制器可以接收来自较高和较低温度***(即，燃料电池***和电子部件)的温度信息，并且可以基于温度信息按照需要将冷却剂流体路由通过冷却剂回路。如果热量不需要用于机载使用(基于当前的气温或者飞行时刻表，也不预期被需要)，则控制器46可以使得热量存储42被绕过。代替地，热量150可以被递送到冷却剂流体，冷却剂流体经由单个冷却剂泵48被路由通过冷却剂回路***40。
虽然控制器46和冷却剂泵48在图3中的特定位置处示出，应该理解的是，必要时它们可以位于沿着冷却剂回路40的任何地方。通常期望仅使用单个冷却剂泵48，以便减少***重量和成本，虽然这不是要求的。此外，示意图中所示的其它部件可以被移动到其它地方。总体目的是提供冷却剂流体的期望流动以及在冷却剂流体被递送到所描述的特定***之前的对热量的期望交换。
在***中使用的冷却剂流体可以是任何适当的冷却剂流体。然而，在一个实施例中，发现使用介电的冷却剂流体特别有用。这可以使得冷却剂流体线路更简单、可靠，并且允许移除现有技术***的去离子器***16。介电冷却剂可以被混合到所公开的单个冷却剂回路40中，用于冷却两个基本***(燃料电池***100和电子部件26)。冷却剂的介电性质意味着其不导电并且将不会生成离子。这种冷却剂通常更具惰性并且不像一些其它流体那么容易退化。所使用的流体可以暂时或者永久是介电的。可以结合所公开的冷却剂回路40使用的潜在冷却剂的非限制性示例包括但不限于热传导液(其是PFPE(全氟聚醚))、PAO(聚芳烃聚烯烃)、石油衍生的冷却剂、基于油的冷却剂、或者任何其它适当的冷却剂流体。
如果冷却剂流体绕过热量存储42，则冷却剂流体可以经由分布器50适当地被路由。分布器50可以是具有出口的阀门或者任何结构，出口被设置尺寸为将流体的流入分离成向外的子流。在一个特定实施例中，分布器50可以是电控制阀门，该电控制阀门基于温度和其它输入调整位置。在流路线A中，流体被路由到低温度热量交换器52并且接着继续被路由到电子部件26。在流路线B中，流体绕过流路线A并且被路由到冷却剂混合器56以递送到燃料电池***100。分布器50基于来自电子部件26和燃料电池***100的温度需要来确定将流体发送到哪里。例如，如果需要冷却电子部件26，分布器50通常沿着路径A路由流体。如果不需要冷却电子部件26，分布器50则可以沿着路径B路由流体。分布器50可以接收任何形式的温度输入。例如，分布器50可以接收来自燃料电池100的入口温度读数形式的温度输入。作为另一示例，分布器50可以接收来自电子部件26的温度读数形式的温度输入。可以提供任何适当的温度反馈回路，使得分布器可以适当地路由流体。
现在参照流路线A，由于将周围空气输入到热量交换器52中，低温度热量交换器52使得流体被冷却到大约50至60摄氏度。传入的周围空气可以由任何冷源或者具有大体上低温度的空气源代替。将流体冷却到大约50至60摄氏度提供了期望温度下的流体，以用于路由通过电子部件26，以便降低由它们的操作生成的热量造成的它们的温度。因为在电子设备冷却步骤期间热量被转移到冷却流体，可以提供第二燃料电池热调节单元54。可以提供这一单元54以便降低离开电子部件26的流体的温度。
离开第二燃料电池热调节单元54的流体被递送到冷却剂混合器56。提供冷却剂混合器56以便将离开第二燃料电池热调节单元54的流体与通过路径B(其绕过电子部件)进入冷却剂混合器的流体混合。路径B中的流体比路径A中的流体更暖。路径B流体绕过了电子部件，并且其通常包含来自离开燃料电池***100的热量150的至少一些温暖性。冷却剂混合器56将来自路径A的经冷却的流体与来自路径B的较暖的流体组合。来自冷却剂的两个传入流(流动路径A和流动路径B)的冷却剂温度在混合器的出口处通常是均匀的。离开冷却剂混合器56的流体因此在大约60至80摄氏度之间，对于燃料电池而言，这是期望的操作温度。
图3还示出了短预热回路58。提供这一预热回路58以将热量递送到燃料电池***100以用于启动。在一些实例中，可能期望当燃料电池***100冷的时候将其启动。然而，燃料电池***100的优选操作温度在大约60至80摄氏度之间。在这一情形下，燃料电池需要具有向其递送的一定量的热量以便起作用。因此，预热回路58在离开燃料电池***100的热量抵达分布器50之前将其路由。回路58可以约束来自热量存储42的热量。回路58可以约束来自离开燃料电池***100的变暖的冷却剂的热量。回路58将此热量的一个或者多个源通过预热回路58路由回到燃料电池，以便向燃料电池的启动提供温暖性。
虽然示出了冷却剂回路40的各种部件的一个潜在布置，应该理解的是，部件可以不同地布置。通常期望的是，冷却剂流如所描述的那样起作用，以便冷却燃料电池***100和电子部件26。
本文所描述的***结合任何适当的燃料电池***100是有用的，燃料电池***100可以包括但是不限于质子交换膜燃料电池(PEMFC)、固态氧化物燃料电池(SOFC)、熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)、直接甲醇燃料电池(DMFC)、碱性燃料电池(AFC)、或者磷酸燃料电池(PAFC)。还可以使用包括但是不限于混合解决方案的任何其它现有或者未来燃料电池***技术。
总之，单个低温度热量交换器52与无源(或者有源)分布器50和绕过通路的使用，允许将燃料电池温度和电子设备温度布置在其相应最优的温度范围内。这可以通过使用仅单个冷却剂泵48和单个空气鼓风机(用于低温度热量交换器52)来实现。依赖于环境条件，由于自然并且高效率的冷却，可以移除至少一个或者多个部件。冷却线路不限于冷却燃料电池和/或其电子设备***，而是可以用于飞机机载的可能需要冷却或者加热的任何和所有应用。
示例1：
用于冷却具有不同操作温度的至少两个***的单个冷却剂回路，该单个冷却剂回路包括：
(a)冷却剂泵，用于移动冷却剂流体通过回路；
(b)分布器，用于路由冷却剂流体通过两个路径中的一个路径；
(c)第一路径，包括递送冷却剂流体通过热量交换器并且用于冷却第一***；
(d)第二路径，包括对第一***的绕过；
(e)其中第一和第二路径在冷却剂混合器处汇合，其中冷却剂混合器将来自第一和第二路径的冷却剂组合。
在这一示例中，第一***可以是一个或者多个电子部件，并且第二***可以是燃料电池***。
示例2：
用于冷却同一回路中的燃料电池***和一个或者多个电子部件的单个冷却剂回路，包括：
(a)冷却剂泵，用于移动冷却剂流体通过回路；
(b)分布器，用于路由冷却剂流体通过两个路径中的一个路径；
(c)第一路径，包括递送冷却剂流体通过低温度热量交换器，并且接着用于冷却一个或者多个电子部件；
(d)第二路径，包括对电子部件的绕过；
(e)其中第一和第二路径在冷却剂混合器处汇合，其中冷却剂混合器将来自第一和第二路径的冷却剂组合；
(f)其中离开冷却剂混合器的冷却剂被递送到燃料电池***；
(g)其中离开燃料电池的较暖的冷却剂(i)被路由到热量存储单元或者(ii)绕过热量存储单元。
示例3。如图4所示，本公开还涉及如下方法，即将冷却剂沿着单个回路路由以冷却较高温度的***和较低温度的***。该方法包括：(a)将变暖的冷却剂流体从较高温度***路由到(i)热量存储单元、(ii)分布器、或者(iii)回到较高温度***以用于启动温暖性；(b)将冷却剂从分布器路由以(i)借助于低温度热量交换器到达较低温度***或者(ii)绕过较低温度***；(c)将冷却剂流体从较低温度***路由到冷却剂混合器；以及(d)将冷却剂流体从冷却剂混合器路由到较高温度***。
在不脱离本发明和所附权利要求的范围和精神的情况下，可以对在上文中记载的和在附图中示出的结构和方法做出改变和修改、添加以及删除。

Claims (10)

1.一种用于冷却具有不同操作温度的至少第一***和燃料电池***的单个冷却剂回路，包括：
(a)冷却剂泵，用于将冷却剂流体移动通过所述单个冷却剂回路；
(b)分布器，用于将所述冷却剂流体路由通过第一路径或第二路径；
(c)所述第一路径包括热量交换器和所述第一***；并且所述第二路径包括对所述第一***的绕过；
(d)其中所述第一路径和所述第二路径在冷却剂混合器处汇合，所述冷却剂混合器将来自所述第一路径和所述第二路径的所述冷却剂流体组合，
其特征在于，所述冷却剂流体通过以下被路由：
I)从所述燃料电池***到以下中的一种：
(i)热量存储单元，
(ii)所述分布器，或
(iii)预热回路，所述预热回路在所述冷却剂流体到达所述分布器之前将所述冷却剂流体路由回到所述燃料电池***以用于启动温暖性；
并且从所述分布器：
II)沿着所述第二路径，其中所述冷却剂流体从所述分布器被直接路由到所述冷却剂混合器，或
III)沿着所述第一路径，其中所述冷却剂流体从所述分布器被直接路由到所述热量交换器、从所述热量交换器被直接路由到所述第一***、从所述第一***被路由到所述冷却剂混合器、并且从所述冷却剂混合器被路由到所述燃料电池***。
2.根据权利要求1所述的单个冷却剂回路，其中所述冷却剂流体包括介电冷却剂流体。
3.根据权利要求1或者2所述的单个冷却剂回路，其中所述第一***包括电子部件。
4.根据权利要求1或者2所述的单个冷却剂回路，其中所述第一路径(A)包括被布置在所述第一***和所述冷却剂混合器之间的热调节单元。
5.根据权利要求1或者2所述的单个冷却剂回路，进一步包括被布置在所述燃料电池***和所述分布器之间的热调节单元。
6.根据权利要求1或者2所述的单个冷却剂回路，其中所述热量存储单元捕获从所述燃料电池***作为副产物生成的热量。
7.根据权利要求1或者2所述的单个冷却剂回路，其中所述热量存储单元包括水储存器、热动力循环装置、或者相变材料。
8.根据权利要求1或者2所述的单个冷却剂回路，进一步包括***控制器，所述***控制器用于接收关于至少所述第一***和所述燃料电池***的温度的信息，并且用于控制所述冷却剂流体通过所述冷却剂回路的路由，以便将热量引导到需要的地方。
9.根据权利要求1或者2所述的单个冷却剂回路，其中所述分布器是包括电控制阀门的结构，所述电控制阀门具有出口，所述出口被设置尺寸为将流体的流入分离成向外的子流。
10.一种沿着根据前述权利要求中的任一项所述的单个冷却剂回路路由冷却剂的方法，所述方法用于冷却具有不同操作温度的至少所述第一***和所述燃料电池***，所述方法包括：
(a)将变暖的冷却剂流体从所述燃料电池***路由到(i)所述热量存储单元、(ii)所述分布器、或者(iii)回到所述燃料电池***以用于启动温暖性；
(b)将所述冷却剂从所述分布器路由以(i)借助于低温度热量交换器到达所述第一***或者(ii)绕过第一***；
(c)将所述冷却剂流体从所述第一***路由到冷却剂混合器；并且混合来自所述第一***的所述冷却剂流体和绕过所述第一***的所述冷却剂流体；以及
(d)将所述冷却剂流体从所述冷却剂混合器路由到所述燃料电池***。
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