本公開(kāi)涉及(例如)使用相變材料對(duì)燃料電池堆進(jìn)行熱管理。

背景技術(shù)：

諸如氫燃料電池的燃料電池是一種低排放能量的潛在源。由燃料電池供電的車(chē)輛可降低排放和對(duì)油基燃料的依賴。然而，燃料電池在車(chē)輛中的使用可能提出了某些挑戰(zhàn)。技術(shù)挑戰(zhàn)的一個(gè)示例可能是對(duì)氫燃料電池堆的適當(dāng)熱管理。在運(yùn)行期間，燃料電池可具有不應(yīng)被超過(guò)的最大運(yùn)行溫度。相應(yīng)地，在車(chē)輛中散熱系統(tǒng)可能是必需的。另一方面，燃料電池還具有最小運(yùn)行溫度并且應(yīng)該防止燃料電池的組件凍結(jié)。因此，在可能經(jīng)歷極低溫度(諸如0℃)的區(qū)域中，可能需要主動(dòng)加熱系統(tǒng)來(lái)保持燃料電池溫度升高。加熱系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)兩者都可將額外的組件添加到燃料電池系統(tǒng)，進(jìn)而燃料電池系統(tǒng)可增加復(fù)雜性、占據(jù)車(chē)輛內(nèi)容積并增大成本。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

在至少一個(gè)實(shí)施例中，提供一種燃料電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)。所述系統(tǒng)可包括：燃料電池堆；熱交換器；蓄熱能電池(thermalbattery)，包括具有50℃-120℃的熔化溫度的材料；第一冷卻液回路，包括燃料電池堆和蓄熱能電池而不包括熱交換器；第二冷卻液回路，包括燃料電池堆、蓄熱能電池和熱交換器。第一冷卻液回路和第二冷卻液回路可被構(gòu)造為分別加熱和冷卻燃料電池堆。

所述系統(tǒng)還可包括第三冷卻液回路，第三冷卻液回路包括燃料電池堆、蓄熱能電池和連接到氣候控制系統(tǒng)的加熱器芯，第三冷卻液回路可被構(gòu)造為將熱從蓄熱能電池傳遞到加熱器芯。所述系統(tǒng)還可包括第一溫度傳感器和第二溫度傳感器，第一溫度傳感器被配置為測(cè)量冷卻液進(jìn)入燃料電池堆的入口溫度，第二溫度傳感器被配置為測(cè)量冷卻液離開(kāi)燃料電池堆的出口溫度。在一個(gè)實(shí)施例中，第一溫度傳感器和第二溫度傳感器是系統(tǒng)中僅有的冷卻液溫度傳感器。

在一個(gè)實(shí)施例中，所述材料具有至少100kj/kg的熔化潛熱。所述系統(tǒng)還可包括僅被包括在第二冷卻液回路中的第一泵和設(shè)置在燃料電池堆的入口的上游的第二泵。第一冷卻液回路可包括位于蓄熱能電池的下游且在燃料電池堆的入口的上游的孔口節(jié)流器。在一個(gè)實(shí)施例中，所述系統(tǒng)包括位于蓄熱能電池的下游并被構(gòu)造為將冷卻液引導(dǎo)至第一冷卻液回路或第二冷卻液回路的三通閥。第一冷卻液回路可被構(gòu)造為：在燃料電池堆低于目標(biāo)運(yùn)行溫度時(shí)加熱燃料電池堆，而在燃料電池堆高于所述目標(biāo)運(yùn)行溫度時(shí)冷卻燃料電池堆。

在至少一個(gè)實(shí)施例中，提供了一種燃料電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)。所述系統(tǒng)可包括：燃料電池堆；熱交換器；蓄熱能電池，包括具有超過(guò)100kj/kg的熔化潛熱的材料；第一冷卻液回路，包括燃料電池堆和蓄熱能電池；第二冷卻液回路，包括燃料電池堆、蓄熱能電池和結(jié)合到氣候控制系統(tǒng)的加熱器芯；第三冷卻液回路，包括燃料電池堆、蓄熱能電池和熱交換器。

在一個(gè)實(shí)施例中，所述系統(tǒng)還包括第一溫度傳感器和第二溫度傳感器，第一溫度傳感器被配置為測(cè)量冷卻液進(jìn)入燃料電池堆的入口溫度，第二溫度傳感器被配置為測(cè)量冷卻液離開(kāi)燃料電池堆的出口溫度。在另一實(shí)施例中，蓄熱能電池中的材料具有50℃-120℃的熔化溫度。所述系統(tǒng)還可包括僅被包括在第三冷卻液回路中的第一泵和設(shè)置在燃料電池堆的入口的上游的第二泵。第一冷卻液回路可被構(gòu)造為：在燃料電池堆低于目標(biāo)運(yùn)行溫度時(shí)加熱燃料電池堆，而在燃料電池堆高于所述目標(biāo)運(yùn)行溫度時(shí)冷卻燃料電池堆。在一個(gè)實(shí)施例中，第三冷卻液回路被構(gòu)造為：在燃料電池堆高于目標(biāo)運(yùn)行溫度時(shí)冷卻燃料電池堆，而在蓄熱能電池高于目標(biāo)溫度時(shí)冷卻蓄熱能電池。

一個(gè)或更多個(gè)計(jì)算機(jī)的系統(tǒng)可被配置為：憑借將在操作過(guò)程中使系統(tǒng)執(zhí)行動(dòng)作的軟件、固件、硬件或它們的組合安裝在系統(tǒng)上來(lái)執(zhí)行特定操作或動(dòng)作。一個(gè)或更多個(gè)計(jì)算機(jī)程序能夠被配置為憑借包括在由數(shù)據(jù)處理設(shè)備執(zhí)行時(shí)使設(shè)備執(zhí)行動(dòng)作的指令來(lái)執(zhí)行特定操作或動(dòng)作。一個(gè)總體方面包括燃料電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)，所述系統(tǒng)包括燃料電池堆、熱交換器和蓄熱能電池。燃料電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)還包括處理器，所述處理器被配置為：基于燃料電池堆的負(fù)的熱排放狀態(tài)，引導(dǎo)冷卻液以將熱從蓄熱能電池傳遞至燃料電池堆；基于燃料電池堆的正的熱排放狀態(tài)，在蓄熱能電池低于目標(biāo)溫度時(shí)，引導(dǎo)冷卻液以將熱從燃料電池堆傳遞至蓄熱能電池。本方面的其它實(shí)施例包括相應(yīng)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、設(shè)備和記錄在一個(gè)或更多個(gè)計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)裝置(每個(gè)計(jì)算器存儲(chǔ)裝置被配置為執(zhí)行所述方法的動(dòng)作)上的計(jì)算機(jī)程序。

實(shí)施可包括下面特征中的一個(gè)或更多個(gè)。在所述系統(tǒng)中，處理器被進(jìn)一步配置為：在蓄熱能電池高于目標(biāo)溫度時(shí)，引導(dǎo)冷卻液以將熱從蓄熱能電池傳遞至熱交換器。在所述系統(tǒng)中，處理器被進(jìn)一步配置為：基于燃料電池堆的正的熱排放狀態(tài)，引導(dǎo)冷卻液以將熱從燃料電池堆傳遞至熱交換器。在所述系統(tǒng)中，處理器被進(jìn)一步配置為：基于燃料電池堆的正的熱排放狀態(tài)，在蓄熱能電池高于目標(biāo)溫度并且熱交換器處于最大冷卻容量時(shí)，引導(dǎo)冷卻液以將熱從燃料電池堆傳遞至蓄熱能電池。在所述系統(tǒng)中，處理器被進(jìn)一步配置為：引導(dǎo)冷卻液以將熱從蓄熱能電池傳遞至氣候控制系統(tǒng)的加熱器芯。所描述的技術(shù)的實(shí)施例可包括硬件、方法或處理或計(jì)算機(jī)可訪問(wèn)介質(zhì)上的計(jì)算機(jī)軟件。

附圖說(shuō)明

圖1是根據(jù)實(shí)施例的用于燃料電池堆的熱管理系統(tǒng)的示意圖；

圖2是根據(jù)實(shí)施例的包括相變材料的蓄熱能電池的圖示；

圖3是示出了根據(jù)實(shí)施例的用于操作熱管理系統(tǒng)的算法的流程圖。

具體實(shí)施方式

根據(jù)需要，在此公開(kāi)本發(fā)明的具體實(shí)施例；然而，應(yīng)當(dāng)理解的是，雖然所公開(kāi)的實(shí)施例可能沒(méi)有被明確地描述或示出，但是所公開(kāi)的實(shí)施例僅為在本公開(kāi)范圍內(nèi)的示例性實(shí)施例和其他實(shí)施例。附圖無(wú)需按比例繪制；可放大或縮小一些特征以顯示特定組件的細(xì)節(jié)。因此，具體結(jié)構(gòu)和功能細(xì)節(jié)不應(yīng)被解釋為限制，而僅僅作為教導(dǎo)本領(lǐng)域技術(shù)人員在公開(kāi)的范圍內(nèi)以多種形式應(yīng)用本發(fā)明的代表性基礎(chǔ)。

可以針對(duì)燃料電池(例如，氫燃料電池)的冷卻系統(tǒng)考慮多個(gè)重要的因素。一個(gè)因素是：質(zhì)子交換膜燃料電池(pemfc，還稱(chēng)為聚合物電解質(zhì)膜燃料電池)的標(biāo)稱(chēng)運(yùn)行溫度可具有上限，諸如約95℃。因此，用于熱排放/熱排除的驅(qū)動(dòng)力可明顯比典型內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)(ice)冷卻系統(tǒng)中的熱排放/熱排除的驅(qū)動(dòng)力小。另一因素是：由于排氣流可能在熱排除方面貢獻(xiàn)很少，因此可能需要通過(guò)輔助冷卻系統(tǒng)來(lái)排除大多數(shù)或全部的廢熱負(fù)載。這兩個(gè)因素可能需要車(chē)輛燃料電池系統(tǒng)具有相對(duì)大的散熱器或熱交換器。為這種大的散熱器提供容積/空間可提出了重大的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。此外，pem燃料電池可僅容許相對(duì)較小的溫度變化。例如，電池溫度低于某一范圍可導(dǎo)致水凝結(jié)和電極淹沒(méi)，這可導(dǎo)致由向反應(yīng)物傳質(zhì)(reactantmasstransport)增加阻力而產(chǎn)生的電壓損失。相應(yīng)地，燃料電池可具有嚴(yán)格的熱要求，該熱要求可提出重大的熱傳遞問(wèn)題。

除了冷卻以外，可能存在與燃料電池的使用相關(guān)聯(lián)的加熱問(wèn)題。在低溫環(huán)境狀況期間，燃料電池堆可能需要承受低溫或凍結(jié)溫度而不發(fā)生損壞。例如，燃料電池車(chē)輛可能需要一直在某溫度(例如，0℃)以上存放或燃料電池車(chē)輛可能需要被主動(dòng)保護(hù)以免凍結(jié)(例如，通過(guò)加熱)。解決該問(wèn)題的一種方法是使用電阻加熱以將某些部件保持在凍結(jié)溫度(或其它最小溫度)以上，并可使用隔熱材料來(lái)減小所需要的電力。該低電力系統(tǒng)可通過(guò)使用(例如)絕熱材料、浸入式加熱器或者水/乙二醇(weg)加熱器和泵以由12v輔助電系統(tǒng)供電來(lái)對(duì)燃料電池堆進(jìn)行加熱而僅保護(hù)燃料電池堆。在燃料電池堆開(kāi)始產(chǎn)生熱之前，即使燃料電池堆保持在凍結(jié)溫度以上，當(dāng)使用冷卻系統(tǒng)的低于凍結(jié)溫度的一些部分(隨后循環(huán)經(jīng)過(guò)燃料電池堆)啟動(dòng)燃料電池系統(tǒng)時(shí)，也可產(chǎn)生損壞。

參照?qǐng)D1，公開(kāi)了一種熱管理系統(tǒng)(tms)10(例如，加熱和/或冷卻)，該熱管理系統(tǒng)使用相變材料(pcm)對(duì)燃料電池堆的溫度進(jìn)行緩沖。公開(kāi)的系統(tǒng)可在車(chē)輛中使用，然而，公開(kāi)的系統(tǒng)還可以在其它應(yīng)用中使用。熱管理系統(tǒng)10可連接到燃料電池堆12。燃料電池堆12可具有任意已知的結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)。燃料電池堆12可以是氫燃料電池堆。燃料電池的基本結(jié)構(gòu)被本領(lǐng)域普通技術(shù)人員所熟知并且將不會(huì)被詳細(xì)描述。通常，燃料電池(例如，氫燃料電池)包括一堆重復(fù)的燃料電池單元。每個(gè)電池可包括負(fù)電極(陽(yáng)極)、電解質(zhì)和正電極(陰極)。在質(zhì)子交換膜燃料電池(pemfc)中，電解質(zhì)是固體的質(zhì)子傳導(dǎo)膜，其是電絕緣的但允許質(zhì)子通過(guò)。通常，在陽(yáng)極處使用雙極板或流場(chǎng)板將諸如氫的燃料源引入，在雙極板或流場(chǎng)板中燃料源與催化劑反應(yīng)并分裂為電子和質(zhì)子。質(zhì)子穿過(guò)電解質(zhì)行進(jìn)到陰極，電子通過(guò)外部電路并且隨后行進(jìn)到陰極。在陰極處，從另一雙極板引入的空氣中的氧在另一催化劑處與電子和質(zhì)子反應(yīng)，以形成水。多個(gè)燃料電池單元電池可封裝在一起以形成燃料電池堆。

tms10可包括諸如管道(tubing)、軟管(hose)或管路(piping)的管線14，管線14被構(gòu)造為輸送或運(yùn)送冷卻液。管線14可連接或結(jié)合到燃料電池堆12的入口13和出口15。燃料電池堆12可包括內(nèi)冷卻液路徑(未示出)，該內(nèi)冷卻液路徑可在燃料電池堆內(nèi)輸送冷卻液并且從燃料電池組件提取熱能或給燃料電池組件提供熱能。圖1中示出的燃料電池堆12僅為示意性的，并且入口13和出口15可具有任意適合的位置或布置。管線14可由任意適合的材料形成并且可以是剛性的或柔性的。適合的管線材料的非限制性示例可包括諸如三元乙丙橡膠(epdm)的彈性體或橡膠、諸如鋼(例如，低碳鋼)、銅、鋁或其它。此外，用于tms10中的冷卻液可以是任意適合的冷卻液，諸如水、與水混合的丙二醇或乙二醇、油或其它流體。

tms10可包括相變材料(pcm)16。pcm16可被封裝或設(shè)置在殼體18內(nèi)。殼體18的壁可使用任意適合的絕熱材料和/或真空密封所述壁以使pcm16絕熱。殼體18可具有被構(gòu)造為從管線14接收冷卻液和使冷卻液返回管線14的入口20和出口22。與燃料電池堆12相似，圖1中的殼體18僅為示意性的，入口20和出口22可具有任意適合的位置或布置。pcm16和殼體18可統(tǒng)稱(chēng)為pcm熱容器(thermalcapacitor)或蓄熱能電池(thermalbattery)24。如在下文另外詳細(xì)描述的，蓄熱能電池24可被構(gòu)造為對(duì)燃料電池堆的溫度進(jìn)行緩沖，協(xié)助冷啟動(dòng)，改善車(chē)廂預(yù)熱和/或在燃料電池堆的運(yùn)行期間協(xié)助熱排放。

相變材料(pcm)16可以是具有高熱容量和/或熔化潛熱的材料。熱容量(例如，比熱容)通常指1克物質(zhì)的溫度升高1攝氏度所需要的熱量或能量。熔化潛熱通常指物質(zhì)的狀態(tài)從固體改變到液體所需要的熱量或能量。熔化比熱可以是在沒(méi)有任何溫度改變的情況下將1單位重量(例如，1克的物質(zhì))從固體轉(zhuǎn)化為液體所需要的熱量或能量。相應(yīng)地，熱容量指使處于給定狀態(tài)(例如，固體或液體)的物質(zhì)的溫度升高的熱/能，并且熔化潛熱指在恒定溫度下促成相變(例如，固體到液體)的熱/能。在相變期間吸收或釋放的熱或能可稱(chēng)為潛熱，而在溫度改變期間吸收或釋放的熱或能可稱(chēng)為顯熱。

為了儲(chǔ)存、吸收和/或釋放大量的能，蓄熱能電池24中的pcm16可具有高熱容量和/或高熔化潛熱。這可能意味著所述材料需要相對(duì)大量的能量以分別提高材料溫度或從固體變?yōu)橐后w(熔化)。這些特性中的任一特性可允許pcm16從管線14中的冷卻液吸收大量的熱能，并且隨后過(guò)一段時(shí)間將大量的能量釋放到冷卻液中。除了pcm16具有高熱容量和/或高熔化潛熱以外，或替代pcm16具有高熱容量和/或高熔化潛熱，可增加蓄熱能電池24中的pcm16的數(shù)量以增大蓄熱能電池24的容量。蓄熱能電池24中的pcm16的量(例如，質(zhì)量)越大，可儲(chǔ)存并在稍后釋放的能量越多。

相變材料(pcm)16可以是具有相對(duì)高的熱容量和/或高熔化潛熱的任意材料。pcm16還可具有在可由冷卻液經(jīng)歷的溫度范圍內(nèi)(例如，在約0℃與120℃之間)的熔化溫度。然而，還可以使用具有在該范圍之外的熔化溫度的材料。在一個(gè)實(shí)施例中，pcm可具有0℃到120℃(或在該范圍之間的任意子范圍，例如，50℃到120℃、60℃到120℃、70℃到120℃或80℃到120℃)的相變溫度或熔化溫度。在另一實(shí)施例中，pcm可具有至少100kj/kg(例如，至少110kj/kg、120kj/kg、150kj/kg、200kj/kg、250kj/kg、300kj/kg或350kj/kg)的熔化潛熱。pcm可具有100kj/kg到400kj/kg、120kj/kg到400kj/kg、200kj/kg到400kj/kg或300kj/kg到400kj/kg的熔化潛熱。pcm可以是任意類(lèi)型的材料，諸如有機(jī)材料、蠟、鹽、酒精或其它?？捎米鱬cm16的具體材料的非限制性示例可包括：來(lái)自rubithermgmbh的有機(jī)pcm，諸如rt70hc、rt80hc、rt90hc或rt100(例如，rt100具有100℃的熔化溫度和124kj/kg的潛熱)；水(例如，熔化溫度為0℃和潛熱為334kj/kg)；石蠟(例如，熔化溫度為60℃和潛熱為220kj/kg)；鹽(例如，nano3，熔化溫度為306℃和潛熱為114kj/kg)；赤蘚糖醇(erythritol)(例如，熔化溫度為118℃和潛熱為349kj/kg)；或sr(oh)2·8h2o(例如，熔化溫度為90℃和潛熱為375kj/kg)。

在至少一個(gè)實(shí)施例中，熱管理系統(tǒng)(tms)10可包括一個(gè)或更多個(gè)冷卻液回路。例如，如圖1所示，可存在三個(gè)冷卻液回路26、28和30。第一冷卻回路26(可稱(chēng)為冷啟動(dòng)回路或凍結(jié)保護(hù)回路)可使冷卻液通過(guò)管線14循環(huán)經(jīng)過(guò)燃料電池堆12和蓄熱能電池24。在一個(gè)實(shí)施例中，燃料電池堆12和蓄熱能電池24基本上是第一冷卻回路26上僅有的熱負(fù)載。如在此使用的諸如閥、傳感器和泵的組件不被認(rèn)為是熱負(fù)載，這是因?yàn)樗鼈儾粡睦鋮s液吸收大量的熱能或不向冷卻液釋放大量的熱能。

第二冷卻回路28(可稱(chēng)為加熱器芯回路或車(chē)廂回路)可使冷卻液通過(guò)管線14循環(huán)經(jīng)過(guò)燃料電池堆12、蓄熱能電池24和加熱器芯32。在一個(gè)實(shí)施例中，燃料電池堆12、蓄熱能電池24和加熱器芯32基本上是第二冷卻回路28上僅有的熱負(fù)載。加熱器芯32可連接或結(jié)合到車(chē)輛(例如，汽車(chē)、船、飛機(jī)等)的氣候控制系統(tǒng)。如果燃料電池堆12不給車(chē)輛供電，則加熱器芯32可連接到能夠利用余熱的另一系統(tǒng)，諸如建筑物的hvac系統(tǒng)。

第三冷卻回路30(可稱(chēng)為熱排放回路或散熱器回路)可使冷卻液通過(guò)管線14循環(huán)經(jīng)過(guò)燃料電池堆12、蓄熱能電池24和散熱器或熱交換器34。在一個(gè)實(shí)施例中，燃料電池堆12、蓄熱能電池24和散熱器34基本上是第三冷卻回路30上僅有的熱負(fù)載。散熱器或熱交換器34可以是散發(fā)來(lái)自冷卻液的熱的任意適合的裝置。例如，散熱器可包括翅片或?qū)崮軓睦鋮s液傳遞到周?chē)h(huán)境的其它的大表面積的組件。散熱器可包括長(zhǎng)的冷卻液路徑，諸如彎曲或蜿蜒的冷卻路徑，以增加冷卻液與散熱器的接觸時(shí)間。

除了上面提及的熱負(fù)載以外，其它組件可存在于一個(gè)或更多個(gè)冷卻液回路中。溫度傳感器36可位于tms10內(nèi)的一個(gè)或多個(gè)位置或結(jié)合到tms10內(nèi)的一個(gè)或多個(gè)位置。在一個(gè)實(shí)施例中，溫度傳感器36可被配置為在任意或全部的熱負(fù)載的入口和出口處(例如，通過(guò)被定位在入口/出口處或附近的位置，或遠(yuǎn)程結(jié)合到入口/出口的位置或入口/出口附近的位置)測(cè)量冷卻液或輸送冷卻液的管線14的溫度。例如，溫度傳感器36可被配置為測(cè)量燃料電池堆12、蓄熱能電池24、加熱器芯32和/或散熱器34的入口/出口的溫度。在示出的實(shí)施例中，可存在兩個(gè)溫度傳感器36，一個(gè)位于燃料電池堆12的入口13處，一個(gè)位于燃料電池堆12的出口15處。

諸如泵和閥的其它組件也可存在于tms10中。泵的數(shù)量可根據(jù)tms10的構(gòu)造和尺寸(諸如，管線14的長(zhǎng)度)而改變。在一個(gè)實(shí)施例中，tms10可包括至少一個(gè)泵38，泵38可以是電動(dòng)泵。在圖1中示出的示例中，tms10包括兩個(gè)泵38。一個(gè)泵38可設(shè)置在燃料電池堆12的入口13附近。因此，這個(gè)泵38可位于全部三個(gè)回路26、28和30內(nèi)。另一泵38可被設(shè)置在散熱器34的上游。這個(gè)泵可僅位于第三回路30中，并可協(xié)助克服因散熱器34產(chǎn)生的流動(dòng)限制。然而，如上所述，另外的泵38可位于tms10內(nèi)，從而提高流量、克服流動(dòng)限制或出于任何其它目的。此外，在一些實(shí)施例中可僅存在單個(gè)泵38。

在tms10中可包括一個(gè)或更多個(gè)閥40。閥40可控制冷卻液經(jīng)過(guò)管線14的流動(dòng)并可控制啟用哪個(gè)熱負(fù)載(例如，從冷卻液吸收能量或向冷卻液釋放能量)。閥40可以是電控閥，諸如電磁閥。閥40可以是單通閥、二通閥、三通閥、四通閥、更多通的閥或它們的任意組合。在至少一個(gè)實(shí)施例中，可存在位于燃料電池堆12與蓄熱能電池24之間的三通閥42。該閥可控制管線14中的冷卻液是否流經(jīng)蓄熱能電池24。

如果確定了(在下面更詳細(xì)地描述)冷卻液將流經(jīng)蓄熱能電池24，則閥可開(kāi)啟以使冷卻液流向殼體18的入口20、經(jīng)過(guò)pcm16、并從殼體的出口22流出。如果確定了冷卻液將不流經(jīng)蓄熱能電池24，則閥可關(guān)閉通向入口20的管線并打開(kāi)繞開(kāi)蓄熱能電池24的管線。為了避免反向流動(dòng)，tms10中的熱負(fù)載組件的任意或全部的入口和出口可具有單通閥或止回閥。

另一三通閥44可位于蓄熱能電池的下游。該閥可控制管線14中的冷卻液可流經(jīng)哪個(gè)(些)回路。在示出的實(shí)施例中，該三通閥可控制冷卻液是流經(jīng)第一回路26和/或第二回路28還是流經(jīng)第三回路30。如果確定了冷卻液將流經(jīng)第一回路26和/或第二回路28，則閥可開(kāi)啟使得冷卻液不流經(jīng)散熱器34。如果確定了冷卻液將流經(jīng)第三回路30，則閥可開(kāi)啟使得冷卻液流經(jīng)散熱器34。

最初第一回路26和第二回路28可共用相同的管線14，但在三通閥44的下游可能存在分岔部，該分岔部使三通閥44的下游分成兩個(gè)回路。兩個(gè)回路之間的分岔部可具有閥或可不具有閥。在示出的實(shí)施例中，不存在閥并且第一回路和第二回路可并聯(lián)流動(dòng)。然而，可存在位于分岔部處的閥(諸如三通閥)，以控制是流經(jīng)第一回路26、還是流經(jīng)第二回路28或是流經(jīng)這兩者?？蛇x地，四通閥可替代上面的三通閥44，并且三個(gè)回路可在四通閥處彼此分開(kāi)(例如，代替共用相同的管線)?；诒竟_(kāi)，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員將理解，管線14和閥40的具體構(gòu)造可根據(jù)tms10的設(shè)計(jì)而改變。

除了泵和閥以外，在tms10中可存在其它組件。例如，可存在位于管線14內(nèi)或附連到管線14的一個(gè)或更多個(gè)孔口節(jié)流器46。在示出的實(shí)施例中，存在位于第一回路26中的管線14內(nèi)或附連到第一回路26中的管線14的孔口節(jié)流器。該節(jié)流器可至少部分地控制經(jīng)過(guò)第一回路26和第二回路28(在回路中可具有加熱器芯32)的流量?？卓诠?jié)流器可有助于防止系統(tǒng)中的流動(dòng)沖蝕。還可存在被包括在tms10中的脫氣瓶48(例如，結(jié)合到散熱器34)。示出的和描述的組件并不意圖為限制性的，可包括可能是冷卻液系統(tǒng)的部分的其它組件。如上所述，考慮到本公開(kāi)，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員可基于車(chē)輛和tms的設(shè)計(jì)而重新布置或重新構(gòu)造該系統(tǒng)的組件。

tms10的組件可連接到控制器或電結(jié)合到控制器。例如，燃料電池堆、溫度傳感器、電動(dòng)泵和閥可連接到控制器或多個(gè)控制器和由控制器或多個(gè)控制器控制。相應(yīng)地，系統(tǒng)內(nèi)各個(gè)位置的冷卻液的溫度、流量或其它特性可由控制器接收并處理/分析。控制器還可接收和/或計(jì)算關(guān)于車(chē)輛工況(諸如速度或加速度)的信息。從而，控制器可基于接收的或計(jì)算的/估計(jì)(例如，基于模型)的信息來(lái)計(jì)算tms10和/或燃料電池堆12的某些參數(shù)。

通過(guò)計(jì)算或估計(jì)tms10的某些參數(shù)，可以減少傳感器或其它組件的數(shù)量。例如，雖然溫度傳感器可被設(shè)置在該系統(tǒng)中的每個(gè)熱負(fù)載的入口和出口處，但是傳感器的數(shù)量可減少到(例如)燃料電池堆12的入口13和出口15處的兩個(gè)溫度傳感器(例如，如圖1所示)。隨后可基于其它已知值或計(jì)算來(lái)估計(jì)位于tms10其它位置的冷卻液溫度。例如，可基于燃料電池堆12的入口/出口處的冷卻液溫度和車(chē)輛工況(例如，當(dāng)冷卻液正在流經(jīng)第三冷卻回路30時(shí))來(lái)計(jì)算或估計(jì)散熱器出口處的冷卻液溫度。

可基于燃料電池堆12的入口/出口處的冷卻液溫度和車(chē)輛工況(例如，當(dāng)冷卻液正流經(jīng)第一冷卻回路26和/或第二冷卻回路28時(shí))而類(lèi)似地計(jì)算或估計(jì)pcm16的內(nèi)部溫度(可稱(chēng)為蓄熱能電池24的“蓄熱狀態(tài)(stateofcharge)”)?？刂破骺苫谀Ｐ筒⒒谥T如pcm16、冷卻液、管線14、加熱器芯32和/或散熱器34的熱特性(例如，熱導(dǎo)率、熔化熱、熱容量等)和物理特性(例如，尺寸、形狀、幾何結(jié)構(gòu)、流量等)以及關(guān)于燃料電池堆12的熱排放的特性的信息而計(jì)算或估計(jì)這些值。相應(yīng)地，通過(guò)監(jiān)測(cè)少數(shù)位置(例如，二個(gè)或三個(gè)位置)處的冷卻液溫度，可準(zhǔn)確地估計(jì)tms10的其它組件處的溫度并可減少傳感器的數(shù)量。減少傳感器的數(shù)量可以使tms10不那么復(fù)雜、體積更小并且成本更低。

參照?qǐng)D2，示出了蓄熱能電池24的實(shí)施例的示意圖。如上所述，蓄熱能電池24包括殼體18。如圖2所示，殼體可以是圓筒狀的，然而殼體可具有任意其它合適的形狀。例如，殼體18可以是矩形棱柱形的(例如，盒形)或其它類(lèi)型的棱柱形的，或者殼體可具有不規(guī)則形狀。根據(jù)pcm的狀況/狀態(tài)，殼體18可以是絕熱的或?yàn)榱私^熱而真空密封的，以防止從pcm損失熱/能或從pcm獲取熱/能。pcm16可松散地儲(chǔ)存(storedloose)在殼體18內(nèi)或可封裝在另一材料內(nèi)。如果pcm16松散地儲(chǔ)存，則pcm和殼體材料可選擇為使得它們之間不發(fā)生腐蝕或劣化。可選地，殼體18可具有防止與pcm接觸的襯套或涂層。

在其它實(shí)施例中，在殼體18內(nèi)pcm16可被封裝起來(lái)。在一個(gè)實(shí)施例中，可存在一個(gè)或僅幾個(gè)(例如，2到4個(gè))pcm隔間或封裝部，其中，相對(duì)大量的pcm儲(chǔ)存在每個(gè)封裝部中。在另一實(shí)施例中，pcm可被封裝在多個(gè)較小的膠囊中，例如，至少5、10、15、25或50個(gè)膠囊。之后，被封裝后的pcm可稱(chēng)為珠或微膠囊。在這些實(shí)施例的任意一個(gè)中，封裝材料可以是不與pcm反應(yīng)并且還具有高于pcm的熔化溫度以及高于將進(jìn)入蓄熱能電池24的冷卻液的最大溫度的溫度的任意材料。封裝材料可以是聚合物、金屬或陶瓷。在至少一個(gè)實(shí)施例中，封裝材料可以是良好的導(dǎo)熱體，用于將熱能從pcm傳遞到冷卻液或從冷卻液傳遞出熱能。封裝材料可以是剛性的或柔性的。

可存在延伸通過(guò)殼體18或在殼體18內(nèi)延伸的一個(gè)或更多個(gè)管道50。管道50可接收來(lái)自殼體入口(未示出)的冷卻液并最終將冷卻液輸送到出口(未示出)。在圖2中，存在豎直延伸通過(guò)殼體18的多個(gè)管道50。相應(yīng)地，冷卻液可分流到多個(gè)管道中，隨后重新合流以輸送到出口外。在其它實(shí)施例中，可存在單個(gè)或多個(gè)管道(例如，2到4個(gè))，但它們可能彎曲通過(guò)殼體18而不基本上直線地延伸通過(guò)殼體18。例如，管道可具有迂回的(tortuous)路徑，諸如彎曲或蜿蜒的路徑，在其中管道自身來(lái)回往返以增大暴露到pcm(松散的或封裝的)的表面積。因此，無(wú)論是通過(guò)多個(gè)管道還是通過(guò)彎曲的管道(或兩者)，管道50都可允許冷卻液長(zhǎng)時(shí)間暴露到pcm，以在冷卻液與pcm之間傳遞熱能。

雖然示出和描述了蓄熱能電池24的多個(gè)實(shí)施例，但可存在其它構(gòu)造。在共同擁有的美國(guó)專(zhuān)利us8,661,800(發(fā)布于2014年3月4日)、us8,794,195(發(fā)布于2014年8月5日)和us8,839,613(發(fā)布于2014年9月23日)中描述了相變材料和蓄熱能電池的其它構(gòu)造，它們的公開(kāi)內(nèi)容通過(guò)在此引用而全部包含在本公開(kāi)中。其中公開(kāi)的相變材料系統(tǒng)的任何部分(或全部)可被包含在本公開(kāi)中。

參照?qǐng)D3，示出了描述用于操作tms10的算法100的示例的流程圖。算法100中的步驟可由一個(gè)控制器或多個(gè)控制器(例如，包括cpu/微處理器和存儲(chǔ)器)執(zhí)行。該算法可存儲(chǔ)在非暫時(shí)性存儲(chǔ)器中。在步驟102中，可以估計(jì)(例如，通過(guò)控制器)散熱器出口處的冷卻液溫度和/或pcm的內(nèi)部溫度。如上所述，可基于由溫度傳感器測(cè)量的燃料電池堆的入口/出口溫度以及基于車(chē)輛工況和/或其它因素來(lái)估計(jì)這些溫度。這些值可用于確定tms的散熱潛力(heatsinkpotential)，例如，能夠被釋放以對(duì)燃料電池堆進(jìn)行加熱的熱量/能量或能夠從燃料電池堆吸收或提取的到pcm和/或散熱器的熱量/能量。

在步驟104中，可以確定系統(tǒng)的熱排放需要。這可包括燃料電池?zé)嶝?fù)載、蓄熱能電池的蓄熱狀態(tài)(例如，內(nèi)部溫度)、來(lái)自加熱器芯的需求、或其它?？捎煽刂破骰谙到y(tǒng)組件的物理特性和熱特性、燃料電池堆的特性和上面描述的溫度數(shù)據(jù)來(lái)確定這些值。

在步驟106中，(例如，通過(guò)控制器)對(duì)是否期望或需要正的熱排放進(jìn)行確定。如果燃料電池堆以超過(guò)目標(biāo)運(yùn)行溫度的溫度運(yùn)行，則可能期望或需要正的熱排放，該目標(biāo)運(yùn)行溫度可以是最佳運(yùn)行溫度或接近/處于最大運(yùn)行溫度。例如，氫質(zhì)子交換膜燃料電池(hydrogenpemfc)的最大或高級(jí)別運(yùn)行溫度可以為大約95℃。然而，最大溫度可根據(jù)燃料電池設(shè)計(jì)而變化。

如果在步驟106中不期望或不需要正的熱排放(例如，期望或需要負(fù)的熱排放狀態(tài))，則在步驟108中可從蓄熱能電池釋放熱以提高燃料電池堆的溫度。換一種說(shuō)法，如果(例如)在冷啟動(dòng)期間或在低溫下，在燃料電池堆中期望或需要額外的熱能，則蓄熱能電池可用于對(duì)燃料電池堆進(jìn)行加熱。熱或能可通過(guò)使冷卻液循環(huán)經(jīng)過(guò)蓄熱能電池(在其中冷卻液可從pcm吸收熱)隨后經(jīng)過(guò)燃料電池堆(在其中熱可被冷卻液釋放并被燃料電池堆吸收)而從蓄熱能電池傳遞到燃料電池堆。冷卻液的這種輸送的示例在上文和圖1中被描述為第一冷卻回路26。如果燃料電池堆在最佳溫度處運(yùn)行或在最佳溫度附近運(yùn)行，并且不需要任何額外熱能或不需要排放任何熱能，則該算法可結(jié)束(例如，沒(méi)有冷卻液流動(dòng))。

如果在步驟106中期望或需要正的熱排放(例如，正的熱排放狀態(tài))，則在步驟110中可確定蓄熱能電池是否低于其目標(biāo)內(nèi)部溫度(蓄熱狀態(tài))。如果蓄熱能電池低于其目標(biāo)內(nèi)部溫度，則在步驟112中熱能可傳遞給蓄熱能電池以提高其內(nèi)部溫度，或?qū)π顭崮茈姵亍靶顭?charge)”。這可以以與步驟108相似的方式執(zhí)行，在步驟108中冷卻液輸送經(jīng)過(guò)蓄熱能電池和燃料電池堆。然而，與步驟108不同的是，在步驟112中燃料電池堆可提供被冷卻液吸收的熱能，并且在冷卻液循環(huán)經(jīng)過(guò)pcm時(shí)pcm可從冷卻液吸收熱能。

如果在步驟110中蓄熱能電池處于或高于其目標(biāo)內(nèi)部溫度，則在步驟114中可確定散熱器或熱交換器能否滿足燃料電池堆的熱排放需要。這可基于散熱器或熱交換器的已知特性(例如，尺寸、幾何特征、熱特性)、冷卻液流量、冷卻液溫度、散熱器的當(dāng)前溫度或其它因素來(lái)確定。如果散熱器不能滿足熱排放需要，則在步驟116中多余的熱能可傳遞給蓄熱能電池。這可通過(guò)將冷卻液的至少一部分輸送經(jīng)過(guò)蓄熱能電池來(lái)執(zhí)行，使得pcm可從由燃料電池堆所產(chǎn)生的多余熱中吸收一些熱能。冷卻液的這種輸送的示例在上文和圖1中被描述為第三冷卻回路30。這可將蓄熱能電池的內(nèi)部溫度提高到其目標(biāo)溫度以上。然而，可存在高于蓄熱能電池的目標(biāo)溫度但低于其最大溫度的溫度范圍(在該范圍內(nèi)運(yùn)行是可以接受的)。

如果散熱器或熱交換器能夠滿足熱排放需要，則在步驟118中散熱器可用于將多余的熱能從燃料電池堆散出。散熱器可用于散出全部或基本上全部的多余的熱能。這可通過(guò)將冷卻液輸送經(jīng)過(guò)散熱器和燃料電池堆但繞開(kāi)蓄熱能電池(例如，使用三通閥)來(lái)執(zhí)行。這種輸送冷卻液的示例在上文和圖1中被描述為第三冷卻回路30。

在步驟120中，可確定散熱器或熱交換器是否具有超出燃料電池堆的當(dāng)前熱排放的多余冷卻容量。如果不具有多余冷卻容量，則所述算法可在步驟122中結(jié)束。如果存在多余冷卻容量，則在步驟124中可確定蓄熱能電池是否需要冷卻或可從冷卻中獲益。如上所述，在某些情況下，例如，如果散熱器不能操控燃料電池堆的熱排放需要，則蓄熱能電池可被加熱到其目標(biāo)內(nèi)部溫度以上。如果蓄熱能電池不需要冷卻或從冷卻中獲益，則該算法可在步驟126中結(jié)束。然而，如果蓄熱能電池需要冷卻或從冷卻中獲益，則在步驟128中散熱器的多余冷卻容量可用于對(duì)蓄熱能電池進(jìn)行冷卻。這可通過(guò)允許冷卻液流經(jīng)散熱器和蓄熱能電池(諸如流經(jīng)第三冷卻回路30)來(lái)執(zhí)行。

除了上述步驟以外，如果在車(chē)廂中在任意位置需要額外的熱并且存在來(lái)自蓄熱能電池、燃料電池堆和/或散熱器的多余的熱能，則可將多余的熱能散給tms中的加熱器芯。加熱器芯可連接或結(jié)合到車(chē)輛的氣候控制系統(tǒng)并且來(lái)自其它組件的熱能可用于提高車(chē)廂的空氣溫度。控制器可確定車(chē)廂溫度是否低于某一閾值，如果車(chē)廂溫度低于某一閾值，則控制器可控制tms中的冷卻液的流動(dòng)以使加熱器芯溫度提高。這可用于在低溫下的啟動(dòng)期間對(duì)車(chē)廂進(jìn)行加熱。當(dāng)燃料電池堆以最佳運(yùn)行溫度運(yùn)行或在最佳運(yùn)行溫度以上運(yùn)行時(shí)，這還可用于補(bǔ)充或取代傳統(tǒng)的變熱過(guò)程。通常，與峰值燃料電池?zé)崤欧判枨笙啾?，乘客的熱需求可能相?duì)較小。因此，在一些實(shí)施例中，可忽視來(lái)自加熱器芯的熱排放并且控制器可不將加熱器芯的熱排放用作控制輸入或目標(biāo)。

雖然上文描述了示例性實(shí)施例，但是并不意味著這些實(shí)施例描述了本發(fā)明的所有可能的形式。說(shuō)明書(shū)中使用的詞語(yǔ)為描述性而非限定的詞語(yǔ)，并且應(yīng)理解，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍的情況下可作出各種改變。此外，可組合多個(gè)執(zhí)行的實(shí)施例的特征以形成本發(fā)明的其它實(shí)施例。