CN101399349A - 具有减少的效率损耗的燃料电池***加温策略 - Google Patents

Abstract

本发明涉及具有减少的效率损耗的燃料电池***加温策略。具体地，提供了一种在***启动时快速地且有效率地加热燃料电池堆的方法。该方法基于各种堆热源的效率来使用所述热源并区分其优先次序从而加热堆。基于大气温度和堆冷却液温度确定将所述堆加热到所述温度的热设定点。然后，比较该设定点与通过正常***启动操作而工作的热源所提供的堆加热。如果需要更多的热来达到所述设定点，则方法首先使用在负载使得燃料电池堆升温处的堆功率给***电池充电。如果仍需要附加加热，则根据需要，该方法然后打开冷却液加热器，然后使少量氢流入阴极进入流内从而提供燃烧，并且然后增加压缩机负载。

Description

具有减少的效率损耗的燃料电池***加温策略

技术领域

[0001]本发明一般涉及在***启动时快速且有效率地加热燃料电池堆的方法，并且更具体地涉及在***启动时基于热源效率来区分热源的优先次序并使用热源从而加热燃料电池堆的方法。

背景技术

[0002]氢是一种非常有吸引力的燃料，因为它干净并且能够被用于在燃料电池中有效率地生成电。氢燃料电池是一种电化学装置，其包括阳极和阴极且在二者间具有电解液。阳极接收氢气，而阴极接收氧气或空气。氢气在阳极中被分解而产生自由质子和电子。质子穿过电解液到阴极。质子与阴极内的氧气和电子发生反应从而产生水。来自阳极的电子不能穿过电解液，并且因此被引导通过负载在被送到阴极前进行工作。

[0003]质子交换膜燃料电池(PEMFC)是用于机动车辆的流行燃料电池。PEMFC一般包括固体聚合物电解液质子导电膜，例如全氟磺酸膜。阳极和阴极代表性地包括被支撑在碳颗粒上并且与离聚物混合的磨碎的催化剂颗粒(经常是铂(Pt))。催化剂混合物被沉积在膜的相对侧上。阳极催化剂混合物、阴极催化剂混合物和膜的组合定义了膜电极组件(MEA)。

[0004]代表性地在一个燃料电池堆中结合几种燃料电池来产生所需功率。燃料电池堆接收阴极反应气体，代表性地是被压缩机驱动通过该堆的空气流。并不是所有的氧气均被该堆消耗，而是一些空气作为阴极排气被输出，该阴极排气可以包括被作为堆副产品的水。燃料电池堆也接收流入堆阳极侧的阳极反应氢气。堆也包括流动通道，冷却液流过所述流动通道。

[0005]燃料电池堆代表性地包括位于堆内的几个MEA之间的一连串双极板，其中双极板和MEA位于两个端板之间。双极板包括堆内的邻近的燃料电池的阳极侧和阴极侧。阳极气体流动通道被配备在双极板的阳极侧上以允许阳极反应气体流动到相应MEA。阴极气体流动通道被配备在双极板的阴极侧上以允许阴极反应气体流动到相应MEA。一个端板包括阳极气体流动通道，而另一个端板包括阴极气体流动通道。双极板和端板由例如不锈钢或导电合成物的导电材料制成。端板传导由燃料电池产生的来自堆的电。双极板也包括流动通道，冷却液流过所述流动通道。

[0006]燃料电池堆在某个堆工作温度下更有效率地且更稳定地工作，该堆工作温度代表性地由流动通过堆的冷却液控制。在***启动时，燃料电池堆典型地为低温度，可能低于零度。需要在***启动时将堆尽快加热到所需温度以便堆尽快地就可以更有效率地且更稳定地工作。

发明内容

[0007]根据本发明的教导，公开的方法用于在***启动时更快且更有效率地加热燃料电池堆。该方法基于各种堆热源的效率来使用各种堆热源并区分各种堆热源的优先次序以便加热堆。基于大气温度和堆冷却液的温度来确定将堆加热至所需温度的热功率设置点。然后比较该设置点与通过正常***启动操作而工作的热源提供的堆温度。如果需要更多的热来到达设置点，则该方法可以首先使用负载引起燃料电池堆温度上升处的堆功率来给***电池充电。如果仍需要附加加热，则根据需要该方法然后可以打开冷却液加热器，随后使少量的氢流入阴极入口流以提供燃烧，并且然后增加压缩机负载。

[0008]结合附图从下述描述和所附权利要求可以明显地得出本发明的附加特征。

附图说明

[0009]图1是燃料电池***的结构图；以及

[0010]图2是根据本发明的实施例的控制器的结构图，其示出了在***启动时快速地且有效率地加热燃料电池堆的过程。

具体实施方式

[0011]涉及在***启动时基于各种热源的效率来区分各种热源的优先次序并使用各种热源以加热燃料电池堆的本发明的实施例的下述讨论实质上仅仅是示例性的，并且决不意味着限制本发明或其应用或使用。

[0012]如下面将要讨论的，本发明提出在***启动时尽可能快速地且有效率地加热燃料电池堆以最小化堆加温时间(warm-up time)的方法。该方法应用几个不同热源来在***启动时加热堆。这些热源包括基于堆负载因堆无效率而产生的热、冷却液加热器、堆中的端电池加热器、使氢进入堆的阴极侧以产生催化燃烧以及使阴极压缩机过载以在阴极空气电池内产生热。可以通过给作为堆负载的高压电池充电而增加堆生热。因为用于给电池充电的能量可从电池中重新获得，所以这个加热堆的技术是最有效率的。使用冷却液加热器和堆端电池加热器不仅加热冷却液和堆端电池，还增加了堆负载电流，这也会加热堆。因为这个双重加热效果，所以冷却液加热器和端电池加热器是加热燃料电池堆的第二最有效率的方式。加热燃料电池堆的下一种最有效率的方式是将少量氢注入堆的阴极侧，在这里氢燃烧、产生热。对于能向堆的阴极侧注入多少氢是存在成分限制的。同样，一些被注入的氢可以流到排气从而导致***中不希望的散发。用于产生额外热以加热堆的最后一种技术是通过增加跨过压缩机的压力比率从而加热阴极入口空气并且增加堆上的电负载。该方法代表性地是效率低的并且在***中会生成额外噪音。

[0013]图1是包括燃料电池堆12的燃料电池***10的平面图。燃料电池堆12包括在堆12的端电池内的端电池加热器14和16。燃料电池堆12接收来自在阴极输入线20上的压缩机18的阴极输入空气，并且在阴极输出线22上输出阴极排气。同样地，燃料电池堆12接收来自在阳极输入线24上的氢存储源28的氢气，并且在阳极输出线26上输出阳极排气。来自源28的氢气可以被选择性地提供到阴极输入线20并且通过阀44进入堆12的阴极侧从而提供在堆12的阴极侧的燃烧以便以本领域技术人员很好理解的方式加热堆12。

[0014]在燃料电池堆12的双极板内提供冷却液流动通道。冷却液被泵30泵压通过冷却液流动通道并且通过堆12外侧的冷却液回路32。来自堆12的在回路32中的冷却液被送到散热器34，在被送回燃料电池堆12之前在该散热器34内降温。回路32内的旁通阀36被控制以便允许冷却液的选择量在旁通线28上绕过散热器34从而冷却液不被散热器34冷却。在冷却液回路32内的冷却液加热器40可被用于在堆启动时加热冷却液。温度传感器42测量从堆12流出的在回路32内的冷却液的温度。

[0015]***10还包括高压电池46，该高压电池46被电耦合到燃料电池堆12并且可以被堆12充电。

[0016]根据本发明，在***启动时堆加温算法加热堆12以便堆12更快速地且以有效率的方式到达其理想工作温度。算法首先确定从***10的正常操作中的加热堆的各种热源所产生的热是多少。例如，如果在***启动时在堆12上立即存在大负载，则堆12本身产生的热应该足够将堆12快速地加热到其工作温度。如果因为堆12太冷或者因为热源不足，正常***操作没有产生足够的热，则算法基于效率和所需热量激活各种热源并且区分各种热源的优先次序。这个区分优先次序包括首先从堆12中抽取电流以便给电池46充电。如果通过给电池46充电堆不能产生足够的热来足够快速地加热堆12，那么算法然后会打开冷却液加热器40。如果仍需要更多的热，则然后算法通过阀44将氢送入堆12的阴极侧以便产生燃烧。如果仍需要更多的热，那么然后可以通过例如关闭线20上的阀以使得压缩机18更猛烈地工作来增加跨过压缩机18的压力比率。

[0017]根据本发明，加温算法的设置点是基于来自温度传感器42的冷却液出口温度以及大气温度，该大气温度被用于以千瓦确定热功率从而确定提供多少热。基于下述等式(1)，通过使堆生热

冷却液加热器生热

端电池加热器生热

阴极氢流动所产生的热

以及压缩机生热

相加而计算总生热

[0018]可以如下计算堆生热：

[0019]进入冷却液的压缩机热可以被忽略，因为相对于其他热源其在量级上基本很小并且难以准确测量。在堆负载上的额外压缩机功率和堆产生的热的效果在等式(2)中被计算。

其中氢的低热值为120kW/(g/sec)，并且r_差是冷却液出口温度和平平均电池电压的函数。

[0020]图2是根据本发明的实施例的结构图50，其示出了在***启动时的短时期内确定将堆12加热到所需温度所需要的热的过程。根据来自大气温度传感器56的大气温度和来自温度传感器42的在线58上的温度提供来自查找表54的在线52上的生热请求信号。该生热请求信号被送到总和块60以便将线62上的生热误差确定为当前由正常***热源提供给堆12的热与堆12所需加热之间的差。将误差提供给比例积分微分(PID)控制器64从而生成热德耳塔请求(heat deltarequest)，然后加温算法会使用该热德耳塔请求以便基于上述讨论区分堆12的附加加热的优先次序。

[0021]如果***10被启动，并且机动车辆操作者立即操作机动车辆，那么堆12上的负载会基于等式(2)提供在线66上的堆生热。该堆生热足以满足快速地且有效率地加热堆12的需求。堆12可以提供功率以操作压缩机18、冷却液泵30等，这样也增加了基于等式(2)提供到线66上的热量。可以通过端电池加热算法的控制而使端电池加热器14和16被启动，这将在线68上提供附加生热，这会减少来自总和块60的误差。

[0022]如果在***启动时各种热源产生的热不足以将误差减小到零，那么加温算法会提供附加热，基于源的充足量区分所述附加热的优先次序。算法首先提供来自堆12的电池充电请求，这增加了线66上的堆生热。然后，算法打开冷却液加热器40以便提供在线70上的堆加热。算法还通过将氢提供到堆12的阴极侧而为堆12增加热，这提供了在线72上的热。此外，算法然后可以闭合压缩机阀以便提供在线74上的更大的压缩机负载。通过选择性地控制各种热源以提供足够的热来满足基于大气温度和冷却液出口温度的热请求，算法可以在***启动时尽可能快地更有效率地加热堆12。

[0023]上述讨论仅公开并描述了本发明的示例性实施例。在不脱离所附权利要求限定的本发明的精神和范围的情况下，本领域的技术人员可以从这些讨论及所附附图和权利要求中很容易地得出各种变化、修改和变型。

Claims (19)

1.一种加热燃料电池***中的燃料电池堆的方法，所述方法包括：

确定用于将所述堆加热到所需温度的热设定点；

确定当前热源是否会将所述堆加热到所需热设定点；以及

基于所述热源的加热效率使用来自所述热源的附加堆加热并区分其优先次序。

2.根据权利要求1所述的方法，其中确定所述热设定点包括基于大气温度和流过所述堆的冷却液的温度使用查找表来确定所述热设定点。

3.根据权利要求1所述的方法，其中确定当前热源是否会将所述堆加热到所述热设定点包括合并堆生热、堆端电池加热器生热、冷却液加热器生热、被输入到所述堆的阴极侧的氢的量以及压缩机生热。

4.根据权利要求1所述的方法，其中区分所述热源的优先次序包括首先将负载加入到所述堆从而给高压电池充电。

5.根据权利要求4所述的方法，其中区分所述热源的优先次序包括打开冷却液加热器。

6.根据权利要求5所述的方法，其中区分所述热源的优先次序包括将氢输入到所述燃料电池堆的阴极侧。

7.根据权利要求6所述的方法，其中区分所述热源的优先次序包括增加压缩机的压缩机压力比率，该压缩机向所述堆提供阴极空气。

8.根据权利要求1所述的方法，其中确定当前热源是否会将所述堆加热到所述热设定点包括将误差信号确定为所需堆加热和当前堆加热之间的差。

9.根据权利要求8所述的方法，其中所述误差信号被送到比例积分微分控制器以产生热请求信号。

10.一种在***启动时加热燃料电池***内的燃料电池堆的方法，所述方法包括：

基于大气温度和堆冷却液温度确定将所述堆加热到所需温度的热设定点；

确定当前热源是否会将所述堆加热到所述热设定点；以及

确定误差信号为所述热设定点和当前堆加热之间的差，以及

如果所述误差信号指示出所述当然堆加热不足以将所述堆加热到所述设定点则提供附加堆加热。

11.根据权利要求10所述的方法，其中提供附加加热包括通过加热效率区分所述热源的优先次序。

12.根据权利要求11所述的方法，其中区分所述热源的优先次序包括首先将负载加入所述堆从而给高压电池充电。

13.根据权利要求12所述的方法，其中区分所述热源的优先次序包括然后打开冷却液加热器。

14.根据权利要求13所述的方法，其中区分所述热源的优先次序包括然后将氢输入到所述燃料电池堆的阴极侧。

15.根据权利要求14所述的方法，其中区分所述热源的优先次序包括然后增加压缩机压力比率。

16.一种在***启动时加热燃料电池***中的燃料电池堆的方法，所述方法包括：

确定需要多少热来将所述堆加热到所需温度；

基于加热效率区分可以加热所述堆的多个热源的优先次序；以及

基于所述热源的优先次序的顺序使用所述热源来将所述堆加热到所述所需温度。

17.根据权利要求16所述的方法，其中确定需要多少热包括基于大气温度和流过所述堆的冷却液的温度来确定需要多少热。

18.根据权利要求16所述的方法，其中区分所述热源的优先次序包括区分如下的优先次序：使高压电池充电的在所述堆上的负载、冷却液加热器、向所述燃料电池堆的阴极侧输入氢以及增加向所述堆提供阴极空气的压缩机的压缩机压力比率。

19.根据权利要求18所述的方法，其中区分所述热源的优先次序包括首先给所述高压电池充电，然后打开所述冷却液加热器，然后向所述燃料电池堆的阴极侧输入氢以及然后增加所述压缩机压力比率。

Images