用于燃料电池车辆的热管理系统和方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种用于燃料电池车辆的热管理系统和方法。更具体地，本发明涉及 能够执行选择性的去矿化的热管理系统和方法，以提高燃料电池系统中采用的热管理系统 中的散热性能。
【背景技术】
[0002] 装配在燃料电池车辆中的燃料电池系统通常包括：燃料电池堆，从反应气体的电 化学反应生成电能；氢气供应设备，将氢气作为燃料供应至燃料电池堆；空气供应设备，将 包括氧气的空气供应至燃料电池堆；以及水热管理系统，将燃料电池堆的热量驱散至燃料 电池堆外面的环境以最佳地控制操作温度并且执行水管理功能。
[0003] 燃料电池堆在作为反应气体的氢和氧的电化学反应处理期间产生作为反应副产 物的热量和水，并且为了使燃料电池堆呈现最佳的输出性能，在启动时或者在操作期间需 要在适宜的温度下管理燃料电池堆的温度。特别地，有必要使用在启动时迅速地增大燃料 电池堆的温度而在操作期间将燃料电池堆的温度保持在适宜的温度的热管理系统。
[0004] 例如，在图1中示出了传统的燃料电池车辆的热管理系统。图1是示出了燃料电 池车辆的热管理系统中的冷却水回路的示意图，其中，燃料电池车辆的热管理系统包括：散 热器2,驱散燃料电池堆1生成电力时生成的热量；冷却水循环管3,连接在燃料电池堆1和 散热器2之间以能够在其间使冷却水循环；旁路管4和三通阀5,选择性地分流冷却水以防 止冷却水穿过散热器2 ;水泵6,泵送并使冷却水循环；加热器7,增加冷却水的温度以使燃 料电池堆升温。
[0005] 为了将冷却水的导电率维持在预定的水平或较小水平，可以在冷却水回路的支管 8中设置过滤存在于冷却水中的离子的脱矿质器（de-mineralizer，DMN)9。热管理系统在 沿着散热器2的通道将冷却水循环至三通阀5,接着至水泵6,然后至加热器7并且最后至 燃料电池堆1的同时将在燃料电池堆生成电力时生成的热量驱散至外部。
[0006] 具体地，如图1中所示，穿过配备在冷却水回路的支管8中的脱矿质器9的冷却水 通过三通阀侧的后级（rear stage)再次返回到冷却水回路。在图2中更详细地描述了三 通阀和脱矿质器的支管之间的连接结构。
[0007] 如图2中所示，三通阀5包括连接至散热器侧的第一端口 5a、连接至旁路管的第二 端口 5b以及将穿过两个管的冷却水转移至泵侧的第三端口 5c。
[0008] 此外，脱矿质器的支管8被连接至第三端口侧并且由于支管8的位置被设置在第 三端口的出口处，无论三通阀是否打开始终生成脱矿质器的流量。
[0009] 因此，由于脱矿质器回路始终是打开的，高温冷却水始终穿过脱矿质器回路并且 没必要经受脱矿化。如此，可能缩短脱矿质器的使用寿命。
[0010] 此外，由于整个冷却流量的约10%的冷却水持续地流过脱矿质器回路，所以冷却 流量被损失且散热性能被降低。
[0011] 同时，由于配备在车辆中的聚合物电解质燃料电池（PEFMC)通常在低温操作，所 以要求具有相当大的散热面积的散热器，但是在炎热季节，来自散热器的散热量可能比燃 料电池堆的热值小。因此，如图3中所示，当在燃料电池堆的出口处的冷却水的温度增加并 且因此达到设定温度时，燃料电池控制单元（FCU)限制燃料电池堆的电流输出以保护燃料 电池堆防止冷却水的温度超过设定温度。这被称为高温限流（high temperature current limitation)〇
[0012] 当车辆的快速加速和高输出操作被延伸较长时间周期（例如，在高速公路上行驶 或在上坡路上行驶）或者冷却水的流量在夏季不充足时，冷却水达到较高的温度，并且因 此高温限流频繁发生。如此，在该限流时间段期间，即使驾驶员按压加速踏板，来自燃料电 池堆的输出也不充足。
[0013] 由于需要增大不充分的散热量，从而防止频繁发生高温限流，用于另外地增加散 热器的散热面积的方法可以被认为是此问题的可选的解决方案。然而，散热器的尺寸受到 车辆布局配置的限制，并且因此更大的散热器是不期望的。
[0014] 此外，可以通过使用高性能/高流量泵使散热性能最大化。然而，关于这点同样存 在缺点。具体地，在泵的高流量操作时生成的冷却水的高压力可能超过燃料电池堆的内部 压力等级。当此情况发生时，可能发生由于燃料电池堆的结构故障而导致的水泄漏，并且因 此该解决方案也具有其局限性。
[0015] 在本【背景技术】部分中公开的上述信息仅用于加强对本发明的【背景技术】的理解，并 且因此可能包括不形成该国中本领域的普通技术人员已知的现有技术的信息。
【发明内容】
[0016] 本发明已经致力于解决与现有技术相关的以上所描述的问题，并且提供了用于燃 料电池车辆的热管理系统和方法，即使由于在夏季期间的高输出操作而导致增加燃料电池 堆的温度大幅度增大，所述系统和方法能够提高热管理系统的散热性能以增加车辆到达的 限流时间，从而提高燃料电池堆的输出稳定性并提高其内引入高温冷却水的脱矿质器的耐 久性。
[0017] 在一方面中，本发明提供了一种用于燃料电池车辆的热管理系统，包括：散热器， 被配置为通过在其内提供的冷却水来驱散从燃料电池堆生成的热量；脱矿质器，设置在从 连接在燃料电池堆和散热器之间的冷却水循环管分出的支管以允许冷却水穿过其中；以及 三通阀，被配置为包括第一端口、第二端口和第三端口。第一端口被配置为连接至穿过散热 器的冷却水流动所沿的散热器管，第二端口被配置为连接至冷却水循环管内的散热器的前 面形成的旁路管，以及第三端口被配置为连接至燃料电池堆侧，并且穿过脱矿质器管的冷 却水流动所沿的脱矿质器管被配置为连接至第二端口侧。
[0018] 在示例性实施方式中，三通阀可被配置为打开第一端口和第二端口都两者或者选 择性地仅打开第一端口和第二端口中的一个端口。
[0019] 在某些示例性实施方式中，用于燃料电池车辆的热管理系统可进一步包括：被配 置为控制三通阀的打开值的控制器。
[0020] 在又一个示例性实施方式中，控制器可以根据车辆的输出状态把部分分为低输出 部分、正常输出部分和高输出部分并且可变地控制每个部分中的三通阀的打开值。
[0021] 在又一个示例性实施方式中，控制器可以在低输出部分中操作时关闭连接至散热 器管的第一端口并完全地打开连接至旁路管的第二端口，在高输出部分中操作时完全地打 开第一端口并关闭第二端口，以及在正常输入部分中操作时部分地打开第一端口和第二端 口两者。
[0022] 在又一个示例性实施方式中，控制器可被配置为在正常输出部分，根据第二端口 的打开值，与穿过第二端口的旁路流量成比例地增大和减小穿过脱矿质器管的流量，并且 在高输出部分由于第二端口的关闭而防止生成穿过脱矿质器管的流量。
[0023] 在再一个示例性实施方式中，控制器可以根据车辆的冷却水的温度把部分分为低 温度部分、参考温度部分和高温度部分并且可变地控制每个部分中的三通阀的打开值。
[0024] 在另一个示例性实施方式中，控制器可以被配置为在低温度部分中关闭连接至散 热器管侧的第一端口并完全地打开连接至旁路管的第二端口，在高温度部分中完全地打开 第一端口并关闭第二端口，以及在参考温度部分中部分