本發明專利技術涉及集成式增壓空氣熱交換器。提供一種供車輛燃料電池使用的集成式增壓空氣熱交換器。該集成式增壓空氣熱交換器包括適于冷卻劑流體流動通過的多個冷卻劑導管。集成式增壓空氣熱交換器還包括多個加熱元件和多個散熱片元件。一個加熱元件設置在冷卻劑導管中的每個冷卻劑導管的第一表面上，并且散熱片元件之一設置在冷卻劑導管中的每個的第二表面上。還提供一種用于在第一運行模式中加熱冷卻劑流體和在第二運行模式中冷卻增壓氣流的方法。
【技術實現步驟摘要】
本專利技術涉及一種熱交換器，更具體地涉及一種用于燃料電池組的集 成式增壓空氣熱交換器。
技術介紹
燃料電池已被提出為用于各種應用的清潔、高效和環境友好的電 源。燃料電池是電化學器件，其將諸如氫的燃料與諸如來自空氣的氧的 氧化劑結合，以產生電以及副產品水。尤其地，能夠將分立的燃料電池 串聯地堆疊在 一 起，以形成能夠足以向電動車輛提供動力的電量的燃料 電池組。燃料電池組已被看成是現代車輛中所使用的傳統內燃機的潛在 替代品。已知 一種類型的燃料電池為質子交換膜(PEM)燃料電池組。PEM燃 料電池通常包括三個基本部件負電極、正電極、和電解質膜。電解質 膜夾在陰極與陽極之間，該陰極與陽極又夾在導電透氣擴散介質或擴散 層之間。擴散介質用作用陽極和陰極的集電器以及為燃料電池提供機械 支持。通常將擴散介質、電極、和電解質膜擠壓在將燃料和氧化劑分配 至電極并完成PEM燃料電池的 一對導電板之間。使冷卻劑循環并乂人燃^f電池組輻射余熱的冷卻劑系統。然而，在冷狀態 下的燃料電池組的啟動運行期間，必須使燃料電池組溫度升高到期望的 范圍。例如已知在啟動運4亍期間用冷卻劑加熱器加熱冷卻劑。冷卻劑加 熱器包括電阻式電熱元件。經加熱的冷卻劑用于提高燃料電池組的溫 度。當燃4牛電池組產生足夠的熱量時脫開電阻式電熱元件，以與冷卻系 統共同維持期望的溫度。從而根據需要調節燃料電池組的溫度。還已知用于從熱壓縮空氣(諸如作為氧化劑供應至燃料電池組的空 氣)傳遞熱的增壓空氣冷卻器(CAC)。通常，冷卻劑加熱器和增壓空氣 冷卻器相互獨立地運行。在授予Brun等人的EP1621378中公布了用于加 熱空氣的另 一已知熱交換器，在此該專利以參考的方式全文并入。EP1621378描述了一種加熱裝置，其包括布置在波形金屬肋之間的諸如至少 一個正溫度系數(PTC)元件的自調節加熱元件，用于對供應至汽車艙室的空氣加熱。冷卻劑加熱器和增壓空氣冷卻器昂貴，并且可能容積效率低，常常需要電動車輛內部中相當大的封裝空間。這樣的系統的采用不合需要地 增加燃料電池動力裝置的設計和制造中的復雜性。為了防止供應至燃料 電池組的冷卻劑過熱，常規的電阻式電熱元件還不合需要地需要附加的 元件部分。存在對集成式增壓空氣熱交換器的持續需求，其容積效率高、使燃 料電池系統的設計和制造復雜性最小、并降低燃料電池系統成本。令人 滿意的是，該集成式增壓空氣熱交換器將冷卻劑加熱器和增壓空氣冷卻 器功能結合到單個單元中，并采用自調節的加熱元件以在第一運行模式 中加熱冷卻劑，和在第二運行^t式中加熱或冷卻增壓氣流。
技術實現思路
根據本專利技術，令人驚訝地發現了一種集成式增壓空氣熱交換器，其 容積效率高、使燃料電池設計和制造復雜性最小、使燃料電池系統成本 最低、將冷卻劑加熱器和增壓空氣冷卻器功能結合到單個單元中、并可 選地采用自調節的加熱元件，以在第一運行才莫式中加熱冷卻劑和在第二 運行模式中冷卻增壓氣流。在 一 個實施例中，用于燃料電池組的集成式增壓空氣熱交換器包括 適于冷卻劑流體流動通過的多個冷卻劑導管、多個加熱元件、和適于氣 流在周圍流動的多個散熱片元件。冷卻劑導管之一具有第 一表面和第二 表面。加熱元件之一設置在第一表面上并且適于將熱傳遞至冷卻劑流流體。在另一實施例中，燃料電池系統包括燃料電池組、與燃料電池組流 體連通的集成式增壓空氣熱交換器單元、和與集成式增壓空氣熱交換器 單元的多個加熱元件電連通的電源。在又 一 實施例中，用于調節燃料電池組的溫度的方法首先包括步 驟令燃料電池組與冷卻劑導管流體連通，該冷卻劑導管適于向該燃料 電池組提供冷卻劑流體，以調節該燃津牛電池組的溫度。該方法還包括步驟啟動燃料電池組；通過冷卻劑導管將冷卻劑流體供應至燃料電池組； 和通過利用加熱元件加熱冷卻劑流體和利用圍繞散熱片元件流動的增 壓氣流加熱冷卻劑流體的方法之一 ，將冷卻劑流體的溫度保持在期望的 范圍內。附圖說明通過以下的詳細描述，尤其當根據此后說明的附圖考慮時，本專利技術 的以上及其它的優點對本領域的技術人員顯而易見。圖l是根據本專利技術的實施例的集成式增壓空氣熱交換器的透視圖2是圖1所示的集成式增壓空氣熱交換器的側視立面圖3是圖1所示的集成式增壓空氣熱交換器、并沿剖面線3-3的前剖視圖4A是用于集成式增壓空氣熱交換器的冷卻劑導管和加熱元件組 件的俯視圖，示出冷卻劑導管上的加熱元件的布置；圖4B是用于集成式增壓空氣熱交換器的冷卻劑導管和加熱元件組 件的俯視圖，示出在冷卻劑導管中形成的空腔中的加熱元件；圖4C是用于集成式增壓空氣熱交換器的冷卻劑導管和加熱元件組 件的俯視圖，示出在冷卻劑導管中形成的槽中的加熱元件；圖5是根據本專利技術的另 一 實施例用于集成式增壓空氣熱交換器的冷 卻劑導管和加熱元件組件的分解不完全透一見圖6是根據本專利技術的另 一 實施例用于集成式增壓空氣熱交換器的端 壽反的前立面圖7是圖6所示的端板、并沿剖面線7 - 7的不完全側剖視圖8是具有圖1所示集成式增壓空氣熱交換器的燃料電池系統的局 部分解不完全透^L圖；以及圖9是圖8所示的燃料電池系統的局部分解不完全透視圖。具體實施例方式以下的詳細描述和附圖說明并圖解了本專利技術的各種實施例。描述和 附圖用于使本領域的技術人員能夠做出并使用本專利技術，并且沒有意圖以 任何形式限制本專利技術的范圍。在所公布的方法方面，所提出的步驟實質 上是示范性的，因此步驟的順序不是必需的或關鍵的。在圖1和2中示出本專利技術的集成式增壓空氣熱交換器單元2。熱交換器單元2包括適于冷卻劑流體5流動通過的多個冷卻劑導管4、多個加熱 元件6、和適于氣流9在周圍流動的多個散熱片元件8。冷卻劑導管4、加 熱元件6 、和散熱片元件8布置成堆10并被壓在一起以在它們之間提供接 觸。加熱元件6和散熱片元件8例如在用于冷狀態下燃料電池組的升溫模 式期間，適于對流動通過冷卻劑導管4并供應至燃料電池組(圖8和9所示) 的冷卻劑流體5加熱。熱交換器單元2還包括第一端板12和第二端板14。多個冷卻劑導管4 設置在第一端板12與笫二端板14之間。應意識到的是，第一和第二端板 12、 14根據需要可為基本不導電的或者基本導電。在一個實施例中，第 一和第二端板12、 14例如通過模制工藝由基本不導電的材料(諸如熱塑 性塑料或彈性體材料)形成。應意識到的是，可根據需要采用其它合適 材料和工藝用于制造端板。如圖l、 2和3所示，每個冷卻劑導管4具有第一表面16和第二表面18。 至少一個加熱元件6鄰接每個冷卻劑導管4的第一表面16。加熱元件6由 此將產生的熱傳遞至流動通過冷卻劑導管4的冷卻劑流體5。散熱片元件 8之一設置在每個冷卻劑導管4的第二表面18上。散熱片元件8將熱從在 其周圍流動的氣流9傳遞至冷卻劑流體5。在特定的實施例中，加熱元件6和散熱片元件8中的至少一個連結至 冷卻劑導管4。連結可例如包括導熱膏或粘合劑。連結有助于在熱交換傳遞。如果作為導電體使用，連結還可有助于加熱元件6與相鄰冷卻劑 導管4之間的電連續性。加熱元件6和散熱片元件8與冷卻劑導管4的連結 例如還可通過釬焊實現。在特定的示意性實施例中，將冷卻劑導管4和 散熱片元件8釬焊到一起。在另一實施例中，連結可例如通過導熱粘合 劑實現。應意識到的是，用于使冷卻劑導本文檔來自技高網...
【技術保護點】
一種用于燃料電池組的集成式增壓空氣熱交換器，包括： 適于冷卻劑流體流動通過的多個冷卻劑導管，各冷卻劑導管具有第一表面和第二表面； 多個加熱元件，所述加熱元件之一設置在各冷卻劑導管的第一表面上并適于將熱傳遞給冷卻劑流體；和 適于氣流在周圍流動的多個散熱片元件，所述散熱片元件之一設置在各冷卻導管的第二表面上，并適于促進氣流與冷卻劑流體之間的熱傳遞。
【技術特征摘要】
...
【專利技術屬性】
技術研發人員：LC懷特赫德，B安德里斯肖特，GW斯卡拉，
申請(專利權)人：通用汽車環球科技運作公司，
類型：發明
國別省市：US[美國]
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