CN100583528C - 基于反馈用于高温防护的质子交换膜燃料电池的控制 - Google Patents

Abstract

一种燃料电池系统，在高位堆叠体温度运行过程中，其利用反馈使用用于限制燃料电池堆输出电流的运算法则。该系统包括PID控制器，该PID控制器接收错误信号，该错误信号是堆叠体冷却液输出温度和预定温度值之间的差值。该运算法则检测该冷却液输出温度是否超出温度预定值，如果超出的话，则计算比例增益组分和积分增益组分，其设置PID控制器的比例和积分增益。基于该比例增益组分、该积分增益组分和该错误信号，该运算法则产生总允许电流，和相应设置堆叠体的最大输出电流。限制从实际电流到堆叠体的允许电流的上升或下降率以提供平稳过渡。

Description

基于反馈用于高温防护的质子交换膜燃料电池的控制

技术领域

【0001】本发明广义涉及一种燃料电池系统，该燃料电池系统使用用于防止燃料电池堆过热的辅助系统，和更具体地讲，涉及一种燃料电池系统，该燃料电池系统使用一种限制燃料电池堆的输出功率以防止堆叠体的温度超出预定值的运算法则。

背景技术

【0002】氢是一种非常吸引人的燃料，因为它是清洁的且能够在燃料电池中用于有效地发电。氢燃料电池是电化学装置，其包括阳极和阴极以及其间的电解质。阳极接收氢气，阴极接收氧或空气。氢气在阳极中被分解而产生游离氢质子和电子。氢质子穿过电解质到达阴极。在阴极中氢质子与氧和电子反应产生水。来自阳极的电子不能通过电解质，因此在被送到阴极之前直接通过负载来实施作业。

【0003】质子交换膜燃料电池(PEMFC)是用于车辆的通用燃料电池。PEMFC通常包括固相聚合物电解质质子传导膜，例如全氟磺酸薄膜。阳极和阴极一般包括承载在碳颗粒上并且与离聚物混合的细碎催化颗粒，通常是铂(Pt)。该催化混合物沉积在该薄膜的相对侧上。阳极催化混合物、阴极催化混合物和薄膜的组合构成膜电极组件(MEA)。制备MEA相对昂贵且需要特定条件才能有效工作。

【0004】一般来说多个燃料电池结合成燃料电池堆以产生期望的功率。例如，用于车辆的典型的燃料电池堆可以具有两百个或更多个堆叠的燃料电池。该燃料电池堆接收阴极输入气体，通常是通过压缩机而强制通过该堆叠体的空气流。并不是所有的氧都被电池堆消耗，并且一些空气作为阴极废气输出，该阴极废气可能包括作为堆叠体副产物的水。该燃料电池堆同样接收阳极氢输入气体，其流入堆叠体的阳极侧。

【0005】该燃料电池堆包括一系列布置在堆叠体中的若干MEA之间的双极板，其中该双极板和该MEA布置在两端板之间。该双极板包括用于堆叠体中相邻燃料电池的阳极侧和阴极侧。阳极气体流动通道提供在双极板的阳极侧，其允许阳极反应物气体流向各自的MEA。阴极气体流动通道提供在双极板的阴极侧，其允许阴极反应物气体流向各自的MEA。一个端板包括阳极气体流动通道，另一个端板包括阴极气体流动通道。该双极板和端板由导电材料例如不锈钢或导电复合物制成。该端板将通过燃料电池产生的电能输出到堆叠体之外。

【0006】燃料电池系统通常包括用于冷却燃料电池堆到期望工作温度的热辅助系统。该热辅助系统包括一个泵，该泵泵送冷却液通过堆叠体外部的冷却剂回路和提供在双极板内部的冷却液流动流道。散热器通常会在流出堆叠体的热冷却液被输送回堆叠体之前将其冷却。

【0007】如果该堆叠体的温度超过某一材料转变温度，例如85℃，有可能损坏该燃料电池堆中的各种部件，例如薄膜。因此，燃料电池系统一般使用冷却液温度监测辅助系统，该辅助系统监测流出堆叠体的冷却液的温度，以防止该堆叠体的温度增加到预定温度之上。各种因素可能导致该燃料电池堆叠体的温度增加到该预定温度之上，例如在高位环境温度环境中在高位负载的状况下长时间运行该堆叠体。

【0008】在目前的燃料电池系统设计中，通常在该堆叠体的冷却液出口处通过温度传感器来测量冷却液温度。如果该冷却液流动，该传感器将提供堆叠体过热的信号。如果该冷却液和由此燃料电池堆变得过热，该系统将采取防护措施，例如关闭该堆叠体以对其进行保护。然而，存在潜在的失效模式，即该系统没有检测到堆叠体过热，或者检测错误的过热条件而导致不必要的系统关闭。这些潜在的失效模式包括冷却液泵故障、冷却液流失、冷却液流动阻塞和冷却液出口温度传感器失效。如果该系统不能检测燃料电池堆的过热条件，那么将有可能损坏该堆叠体薄膜。然而，如果该系统错误地检测过热条件和关闭该系统，则降低系统可靠性。

【0009】当检测到过热条件时，本领域中众所周知要限制堆叠体的输出功率。在一个运用中，会用到一个根据冷却液的温度来提供最大堆叠体输出电流的对照表。例如，如果堆叠体输出的冷却液温度超过82℃，随后可能将该堆叠体的输出电流限制到小于最大堆叠体电流的一个电流值。如果冷却液的温度继续增加，则可进一步地限制该堆叠体的输出电流以防止该堆叠体的温度超过可能损害薄膜的温度。一旦冷却液温度降到最大要求温度以下，该对照表即允许堆叠体的最大有效电流返回到该堆叠体最大值。如果对于功率的要求没有改变，该冷却液辅助系统的散热能力不能符合散热需求，那么该冷却液温度将会再次超出该预定值。通过使用对照表来达到这个目的，每一次堆叠体电流限值的改变都是在在先变化的基础上进行的，该变化不提供能被车辆驾驶员感知到的一个电流限值到另一个之间的平稳过渡。此外，这个方法使堆叠体负载、温度和堆叠体相对湿度产生波动，这对于堆叠体的耐久性和性能是有害的。

发明内容

【0010】根据本发明的教导，公开了一种燃料电池系统，其使用用于限制燃料电池堆输出电流的运算法则，该运算法则利用在高堆叠体温度运行过程中的反馈。该系统包括PID控制器，该PID控制器接收错误信号，该错误信号是堆叠体冷却液输出温度和预定温度值之间的差值。该运算法则检测堆叠体冷却液输出温度是否超出预定温度预定值，如果超出的话，则计算比例增益组分和积分增益组分，其设置PID控制器的比例和积分增益。基于该比例增益组分、该积分增益组分和该错误信号，该运算法则产生允许的总电流，和因此设置堆叠体输出的最大电流。限制堆叠体的允许电流从实际电流的上升或下降率以提供平稳过渡。

【0011】结合附图从下列描述和附加权利要求中本发明的更多特点将变得显而易见。

附图说明

【0012】图1是燃料电池系统的一般示意框图；

【0013】图2是按本发明实施方式的控制系统的示意框图，该控制系统包括基于堆叠体温度来设置燃料电池堆最大输出电流的PID控制器；和

【0014】图3是显示用于图2中示出的控制系统的运算法则的运算流程图。

具体实施方式

【0015】下列评述涉及一种燃料电池系统的本发明实施方案实质上仅仅是示范性的且并不打算限制本发明或它的运用或使用，该燃料电池系统使用基于堆叠体温度用于限制该堆叠体输出电流的控制系统。

【0016】图1是包括燃料电池堆12的燃料电池系统10的示意框图。在阴极输入管16上压缩机14给堆叠体12的阴极侧提供空气流；在阴极输出管18上阴极废气从堆叠体12输出。在阳极输入管22上氢源20提供氢流给燃料电池堆12的阳极侧。在阳极输出管24上阳极废气从堆叠体12输出。该燃料电池系统10还包括泵26，正如本领域技术人员所公知的，该泵泵送冷却液通过燃料电池堆12中的冷却液流道和燃料电池堆12外面的冷却剂回路28。燃料电池堆12的热的冷却液被传输到散热器30，在输回到燃料电池堆12之前，在这里降低温度。该散热器30可以包括风扇(未示出)，该风扇驱动冷却空气通过散热器30以提供冷却，正如本领域所公知的。温度传感器32测量排出堆叠体12的冷却液的温度。该系统10还包括三通阀78，其允许该冷却液在不需要冷却冷却液的特定工作条件下绕过散热器30。

【0017】图2是用于限制燃料电池堆12的输出电流的控制系统34的示意框图，如果来自燃料电池堆12的冷却液的温度超过温度预定值，使得堆叠体12的温度不会增加到能够损害电池隔膜的水平。该控制系统34使用比例积分微分(PID)控制器36，其基于冷却液的温度确定来自堆叠体12的最大允许电流，这在下面将进行更详细描述。

【0018】通过冷却液传感器32测量的冷却液的温度被传输给管40上的滞后控制器38。在管42上该滞后控制器38同样接收温度上限和在管44上接收温度下限。在一个非限制性实施方案中，该上限是82℃和该下限是80℃。如果冷却液温度超出该温度上限，则控制器38在管46上输出高位信号给延迟电路48。管46上的高位信号是用于控制系统34的使动信号。一旦冷却液的温度超出该温度上限，控制器38的输出将保持在高位直到冷却液的温度达到温度下限以下，且一旦冷却液的温度达到该温度下限以下，控制器38的输出将保持在低位直到冷却液的温度返回到超过该温度上限。延迟电路48能够被用于延迟从温度超过该上限时直到控制系统34实际上限制该堆叠体12输出电流时的时间。在大多数情况下，该延迟将设置为零，这里延迟电路48充当贯通路。

【0019】管40上的来自温度传感器32的温度信号同样被传送给错误电路50，该电路由模块52提供的温度预定值，例如80℃，减去温度信号从而得到错误信号。该温度值并不需要跟温度下限相同，但是一般来说是相同或几乎相同。该错误信号被传送给PID控制器36，假如控制系统34已经使动，通过选择性地控制堆叠体12的最大输出电流，PID控制器36试图将该错误信号减小到零或以下。

【0020】从偏差模块54将偏差值提供给该PID控制器36。该偏差值是比允许的堆叠体电流大的堆叠体电流，和一般是燃料电池堆12能够产生的最大电流，例如450安培。预定比例增益值Kp被从方框56提供给PID控制器36，预定积分增益值Ki被从方框58提供给该PID控制器36。不使用PID控制器36的微分控制，也就是说微分增益值设置为零。在一非限制性实施例中，对于一个具体应用，预定比例增益值是50，预定积分增益值是3。

【0021】基于错误信号的值，偏差模块54的偏差值被用作减小堆叠体12输出电流的起始点。在模块60上提供堆叠体12能够输出的电流最高位量和在模块62上提供须从堆叠体12输出的电流最低位量。在一个非限制性实施方案中，该最大电流是450安培和该最小电流是40安培。只要该阻滞模块64的输出是高位的，通过阻滞模块64能够提供阻滞命令，其导致保持PID控制器36的输出。可以有各种工作条件，其中这种特征是需要的。

【0022】延迟电路48的输出被提供给复位电路66。当该延迟电路48的输出从高位到低位时，该复位电路66在延迟电路48的高位信号到低位信号的下降边缘上提供高位信号给控制器36。随后该PID控制器36将重设其输出到模块54的偏差值，重设积分增益项为零以及重设其所有参数以初始化将来的PID控制。

【0023】延迟电路48的输出同样被传送给布尔电路68的″如果″输入。如果延迟电路48的输出是低位的，也就是说控制系统34没有使动，那么该电路68将从堆叠体12输出最大可能电流，其通过从模块70输入到布尔电路68的“否则”输入来提供。然而，如果延迟电路48的输出是高位的，则电路68选择″那么″输入到布尔电路68，其通过PID控制器36来提供以设置堆叠体12的最大输出电流，从而降低堆叠体12的温度，所述最大输出电流是由PID控制器36基于上述输入得到的。从电路68输出堆叠体12允许的最大电流给限速电路72。该限速电路72限制堆叠体12的输出电流能够以多快变化，无论其是增大还是降低。在这个非限制性实施例中，模块74提供了限制上升电流速度(也就是堆叠体12的最大电流输出能够以多快增加)为30安培每秒，模块76提供了限制下降电流速度(也就是堆叠体12的最大电流输出能够以多快降低)为-200安培每秒。对于不同燃料电池系统中的不同运用，能够选择模块74和76的值。

【0024】图3是显示正如以上的讨论用于控制燃料电池堆12温度的控制系统34的运行流程图80。该运算法则首先在方框82中获得来自传感器32的堆叠体冷却液出口温度。该运算法则随后确定该冷却液出口温度是否大于在判定菱形84处使动该控制系统34的预定温度值，例如82℃。如果在判定菱形84处该冷却液的温度不大于该预定值，则在方框86所述运算法则将由堆叠体12获得的最大电流设置成堆叠体12能够产生的最大电流。该运算法则随后在方框88紧限堆叠体电流的增长时间速率和衰减时间速率，使得堆叠体电流不能比预定限制增加或减小的更快，正如以上的讨论。在方框82中，该运算法则随后返回到获得堆叠体冷却液出口温度。

【0025】在判定菱形84处，如果冷却液温度大于82℃，则在方框90处该运算法则将PID控制器36中的积分增益组分重设为零。正如以上的讨论，在延迟电路48的输出走低以后，复位电路66导致PID控制器36重设积分增益组分为零。然而，在该PID控制器36基于温度计算堆叠体12所允许的总电流之前，仅仅需要重设积分增益组分，无论当控制系统34停止时，或当控制系统34使动时。

【0026】在方框92处，基于错误信号和模块56提供的比例增益值Kp，该运算法则随后计算比例增益组分P。在一个非限制性实施方案中，通过用80℃减去冷却液的温度T乘以50安培每摄氏度来计算比例增益组分P(P＝(80-T)·50A/℃)。随后以同样的方法，在方框94处，基于来自错误电路50的错误信号和来自模块58的积分增益值Ki，该运算法则计算积分增益组分I。在一个非限制性实施方案中，积分增益组分I是80℃减去冷却液温度T乘以3安培每摄氏度每秒的积分(I＝∫(80-T)·3A/℃/秒)。在方框96中，该运算法则随后计算来自堆叠体12所允许的总电流，即用来自模块54的偏差值减去比例增益组分和积分增益组分(450-P-I)。

【0027】该运算法则随后在方框98紧限堆叠体12的输出电流到通过模块60和62提供的最小值和最大值之间，和紧限以模块74和76提供给限速电路72的增加时间速率和衰减时间速率。在判定菱形100中，该运算法则随后确定冷却液温度是否小于80℃，也就是说，错误信号是否是零，如果不是，在方框92中运算法则返回到基于该错误信号计算比例增益项P直到在判定菱形100处温度降到80℃以下。每当该运算法则通过该电流局限环循环，该积分增益组分I将增加。随后在方框86中该运算法则将设置堆叠体12的最大电流和在方框82中返回到获得堆叠体冷却液出口温度。

【0028】上述仅仅公开和描述了本发明的典型实施例。在不脱离下面权利要求确定的本发明精神和范围的情况下，本领域技术人员清楚地意识到从这些评述和附图以及权利要求中能够做出各种变化、改进和变动。

Claims (19)

1、一种用于限制响应燃料电池堆温度的燃料电池堆输出电流的系统，上述系统包括：

用于测量燃料电池堆温度的温度传感器；

用于产生作为燃料电池堆测量温度和第一温度预定值之间差值的错误信号的错误电路；和

响应错误信号、偏差值、比例增益值和积分增益值的比例积分微分控制器，上述比例积分微分控制器基于该错误信号和该比例增益值计算比例增益组分，和基于该错误信号和该积分增益值计算积分增益组分，并基于该偏差值、该比例增益组分和该积分增益组分提供燃料电池堆的最大允许电流。

2、根据权利要求1的系统，还包括使动电路，如果所述燃料电池堆的测量温度超出第二温度预定值且随后保持在第三温度预定值以上，则上述使动电路使动所述比例积分微分控制器，其中第二和第三温度预定值是不同的。

3、根据权利要求2的系统，其中第二温度预定值是82℃且第三温度预定值是80℃。

4、根据权利要求2的系统，其中第一和第三温度预定值是相同的。

5、根据权利要求2的系统，还包括延迟电路，在使动电路使动比例积分微分控制器之后，上述延迟电路延迟使动比例积分微分控制器一段时间。

6、根据权利要求1的系统，还包括限速电路，上述限速电路限制堆叠体最大允许电流能够以多快速度变化。

7、根据权利要求1的系统，其中燃料电池堆的最大允许电流是所述偏差值减去所述比例增益组分减去所述积分增益组分。

8、根据权利要求1的系统，其中所述比例增益组分是第一温度预定值减去燃料电池堆的温度乘以所述比例增益值，且所述积分增益组分是第一温度预定值减去燃料电池堆的温度乘以积分增益值的积分。

9、根据权利要求8的系统，其中所述比例增益值是50，积分增益值是3。

10、根据权利要求1的系统，其中当冷却液离开燃料电池堆时所述温度传感器测量冷却液的温度。

11、一种用于限制响应燃料电池堆温度的燃料电池堆输出电流的系统，上述系统包括：

用于引导冷却液通过燃料电池堆的冷却剂循环系统；

用于测量燃料电池堆冷却液温度的温度传感器；

如果所述冷却液的测量温度超出第一温度预定值，且随后保持在第二温度预定值之上时用于使动所述系统的使动电路，其中第一和第二温度预定值是无所谓的；

用于产生作为冷却液测量温度和第三温度预定值之间差值的错误信号的错误电路；

响应错误信号、偏差值、比例增益值和积分增益值的比例积分微分控制器，上述比例积分微分控制器基于该错误信号和该比例增益值计算比例增益组分，和基于该错误信号和该积分增益值计算积分增益组分，并提供作为偏差值减去该比例增益组分减去该积分增益组分的燃料电池堆最大允许电流；和

用于限制堆叠体最大允许电流能够以多快速度变化的限速电路。

12、根据权利要求11的系统，其中第一温度预定值是82℃，第二和第三温度预定值是80℃。

13、根据权利要求11的系统，还包括延迟电路，在使动电路使动所述比例积分微分控制器之后，上述延迟电路延迟使动比例积分微分控制器一段时间。

14、根据权利要求11的系统，其中所述比例增益组分是第三温度预定值减去冷却液的温度乘以比例增益值，且所述积分增益组分是第三温度预定值减去冷却液的温度乘以所述积分增益值的积分。

15、根据权利要求14的系统，其中所述比例增益值是50，积分增益值是3。

16、一种在堆叠体温度升高时通过限制堆叠体输出电流从而防止燃料电池堆过热的系统，上述系统包括：

用于测量燃料电池堆温度的温度传感器；

用于产生作为燃料电池堆的测量温度和预定温度值之间差值的错误信号的错误电路；和

响应所述错误信号以及提供基于错误信号大小所确定的燃料电池堆最大允许电流的比例积分微分控制器。

17、根据权利要求16的系统，其中当冷却液离开燃料电池堆时所述温度传感器测量该冷却液的温度。

18、根据权利要求16的系统，其中所述比例积分微分控制器按偏差值减去比例增益组分减去积分增益组分计算所述最大允许电流。

19、根据权利要求16的系统，还包括限速电路，所述限速电路限制堆叠体最大允许电流能够以多快速度变化。

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