CN101098023B - 电池组末端电池加热器控制方法 - Google Patents

电池组末端电池加热器控制方法 Download PDF

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Abstract

一种燃料电池系统，其在燃料电池系统中的燃料电池组的末端电池中使用末端电池加热器，其始终保持末端电池的温度高于电池组的工作温度，以减少末端电池中的水。在一个实施方案中，贯穿燃料电池组的整个输出功率范围，末端电池的温度保持在80℃-85℃的范围内。根据本发明另一个实施方案，末端电池是电耦合串联的，并且选择用于控制末端电池加热器的控制信号以将最热的末端电池加热到期望温度。

Description

电池组末端电池加热器控制方法
技术领域
【0001】本发明总体上涉及一种用于控制流向分离燃料电池组(split fuel cell stack)的末端电池加热器的电流的系统和方法，更具体地，涉及一种用于控制流向分离燃料电池组的末端电池加热器的电流的系统和方法，其中控制末端电池加热器以保持末端电池中的预定温度高于燃料电池组的工作温度。
背景技术
【0002】氢是一种非常有吸引力的燃料，因为它是清洁的并且能够用于在燃料电池中有效地产生电。氢燃料电池是一种电化学装置，其包括阳极和阴极以及位于其间的电解质。阳极接收氢气而阴极接收氧或空气。在阳极中氢气分解产生自由质子和电子，质子穿过电解质到达阴极。质子在阴极中与氧和电子发生反应而产生水。来自阳极的电子不能通过电解质，因此在传送到阴极之前被引导通过负载来进行工作。
【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导电膜，例如全氟磺酸膜。阳极和阴极一般包括负载在碳颗粒上并且与离聚物混合的精细分散的催化颗粒，通常是铂(Pt)。催化混合物沉积在膜的相对侧面上。阳极催化混合物、阴极催化混合物和膜的组合形成膜电极组件(MEA)。
【0004】一些燃料电池典型地组合成燃料电池组以产生期望的电力。燃料电池组接收阴极反应气体，典型地是被压缩机强迫穿过电池组的空气流。并不是所有的氧都被电池组消耗，而是一些空气作为阴极废气输出，阴极废气可能包括作为电池组副产品的水。燃料电池组同样接收流入电池组阳极侧的阳极氢反应气体。电池组同样包括冷却液流动的流动通道。
【0005】燃料电池组包括一连串置于电池组中的多个MEAs之间的双极板，其中双极板和MEAs置于两个末端板之间。双极板包括电池组中的相邻燃料电池的阳极侧和阴极侧。在双极板的阳极侧上设有阳极气体流动通道以使得阳极反应气体流向各个MEA。在双极板的阴极侧上设有阴极气体流动通道以使得阴极反应气体流向各个MEA。一个末端板包括阳极气体流动通道，而另一个末端板包括阴极气体流动通道。双极板和末端板都由导电材料制成，例如不锈钢或者导电复合材料。末端板将燃料电池产生的电流传导出电池组。双极板还包括冷却液流过的流动通道。
【0006】对于汽车用途，典型地采用400个燃料电池以提供期望的电能。由于在汽车燃料电池系统设计中电池组需要如此多的燃料电池，从而很难有效地提供相等的氢气流通过并联的400个燃料电池，所以电池组有时分成两个次电池组，每个包括大约200个燃料电池。
【0007】燃料电池内的膜需要具有特定的相对湿度，使得贯穿膜的离子电阻足够低以有效地传导质子。加湿可以来自电池组的副产品水或者外部潮湿。通过流动通道的反应气流对于膜具有干燥作用，在流动通道入口处最显著。同样，由于膜相对潮湿和副产品水而在流动通道内部的水滴累积可能阻止反应气体在流动通道中流动，并导致电池失效，由此影响电池组的稳定性。反应气体流动通道中水的累积在低电池组输出负载的情况中尤其麻烦。
【0008】在燃料电池组中的末端电池相对于电池组中其它电池通常具有更低的性能。具体而言，末端电池暴露于环境温度且因此具有温度梯度，这使得它们在较低的温度中工作，结果导致对流热损失。因为末端电池通常比电池组中其余的电池更冷，所以气态水更容易凝结成液态水使得在末端电池中具有更高的相对湿度，其导致水滴更容易在末端电池流动通道中形成。此外，在低电池组负载中，有效地将水推到流动通道外的反应气流量显著减小。同样，在低电池组负载情况下冷却液温度降低，其降低了电池组的温度并且通常增加了反应气流的相对湿度。
【0009】本领域中已知将具有加热电阻丝的加热末端电池布置在单极板和MEA之间以补偿对流热损耗。这些已知的系统通过监测流到电池组外部的冷却液温度而通常试图保持末端电池温度与电池组中其它电池的温度一致。然而，即使添加这种加热器，末端电池较低的电池电压仍然是问题。
发明内容
【0010】根据本发明的教导，公开一种燃料电池系统，在燃料电池系统中的燃料电池组的末端电池中使用末端电池加热器，其始终保持末端电池的温度高于电池组的工作温度，以减少末端电池中的水。在一个实施方案中，贯穿整个燃料电池组的输出功率范围，末端电池的温度保持在80℃-85℃的范围内。根据本发明另一个实施方案，末端电池是电耦合串联的，并且选择用于控制末端电池加热器的控制信号以将最热的末端电池加热到期望温度。
【0011】结合附图从下列描述和附加权利要求中本发明的附加特点将变得显而易见。
附图说明
【0012】图1是包括具有末端电池加热器的分离电池组的燃料电池系统的示意框图；和
【0013】图2是根据本发明的一个实施方案用于控制图1中示出的燃料电池系统的分离电池组中的末端电池加热器的控制系统的框图。
具体实施方式
【0014】涉及使用用于控制分离燃料电池组中末端电池加热器技术的燃料电池系统的下列本发明实施方案的讨论实质上仅是示例性的，并且不拟限制本发明或其应用或用途。
【0015】图1是燃料电池系统10的示意框图，其包括第一分离燃料电池组12和第二分离燃料电池组14。通常通过压缩机(未示出)，分离电池组12在线路16上接收阴极输入空气流而分离电池组14在线路18上接收阴极输入空气流。在线路20上从两个分离电池组12和14中输出阴极废气。分离电池组12和14使用阳极流体，其中通过分离电池组电池12和14流向后面和前面的阳极反应气体以预定周期移动。因此，在线路22上阳极反应气体流入和流出分离电池组12而在线路24上流入和流出分离电池组14。阳极连接线路26连接分离电池组12和14中的阳极通道。
【0016】分离电池组12包括布置在分离电池组12末端电池内部的末端电池加热器28和30。同样地，分离电池组14包括布置在分离电池组14末端电池内部的末端电池加热器32和34。末端电池加热器28-34布置在分离电池组12和14末端电池中的合适位置，例如单极板和MEA之间，使得每个分离电池组12和14包括两个末端电池加热器。加热器28-34可以是用于这个目的的任何合适的加热器，例如电阻加热器。正如本领域中熟知的，冷却液流过冷却剂回路36及分离电池组12和14中的冷却液流动通道以控制它们的工作温度。
【0017】根据本发明，控制末端电池加热器28-34使得它们的温度保持在预定温度，该预定温度比燃料电池系统10的工作温度高。具体而言，通过流过冷却剂回路36的冷却液的温度来控制分离电池组12和14的工作温度。在低电池组负载中，冷却液的温度可以降到低至60℃，而在高电池组负载中，冷却液温度可以升至80℃。根据本发明，由末端电池加热器28-34提供的温度并不依赖于冷却液温度，而是保持在贯穿整个功率范围的高温和系统10的冷却液温度。
【0018】本领域中已知用于燃料电池的某些膜的玻璃化转变温度为约90℃。根据本发明的一个实施方案，控制末端电池加热器28-34使得分离电池组12和14的末端电池温度在80℃-85℃范围内，和尤其是82℃。如果分离电池组12和14的电流密度小于0.2Acm2，因为末端电池加热器28-34在这种低负载和仅添加附加负载的情况下不是有效的，所以将末端电池加热在范围中的温度是尤其有效的。此外，如果冷却液温度降到低于60℃，因为在较低温度中存在很多水，其能轻易地阻塞末端电池中的流动通道，在范围中加热末端电池是同样特别有效的。同样加热器28-34添加负载到系统中，其对尽快地将系统10加热到系统启动的理想工作温度是有帮助的。
【0019】通常来说，末端电池加热器28-34是串联电连接的。因为系统10使用分离电池组12和14中阳极流动通道之间的流动变化，分离电池组12和14将具有潮湿端和干燥端，取决于新鲜氢气被传送到哪个电池组中。分离电池组12和14的潮湿端电池倾向于与分离电池组12和14的干燥端电池加热不一样快。这导致额外的水存在于潮湿端，其必须通过电池加热器加热，这导致需要更多的能量以加热潮湿端。
【0020】为了克服用于末端电池加热器串联的这个问题，本发明建议感应末端电池的温度并及时地给最热的末端电池提供合适的电流到任何特定点的期望温度。
【0021】图2是控制系统40的框图，控制系统用于控制末端电池加热器48的温度，代表末端电池加热器28-34。在输入线42处提供用于末端电池加热器48的期望温度设置点信号给比较器44。比较器44的输出信号发送给比例-积分-微分(PID)控制器46，其将设置点信号转化为适合于控制末端电池加热器48的脉冲宽度调整(PWM)信号。在高脉冲过程中PWM信号导致末端电池加热器48提供加热并在低脉冲过程中关闭。每个末端电池加热器28-34包括例如热电偶的温度传感器，其提供指示末端电池温度的信号。例如，输出线50给分离电池组12的干燥端提供温度信号，输出线52给分离电池组12的潮湿端提供温度信号，输出线54给分离电池组14的干燥端提供温度信号和输出线56给分离电池组14的潮湿端提供温度信号。将所有这些信号提供给最大值处理器58，其挑选象征最热末端电池温度的最高温度信号，该信号在线路60上输入到比较器44中。比较器44提供误差信号给温度设置点和实际温度之间不同的PID控制器46，使得控制所有末端电池加热器48到最热末端电池的温度。
【0022】在其它实施方案中，末端电池加热器28-34可能不是串联的，但是其被独立控制。在实施方案中，控制系统可能包括用于每个末端电池加热器的PID控制器，使得它们能够被彼此独立地控制。此外，对于包括两个末端电池加热器的单一电池组设计，控制末端电池加热器的温度适用。
【0023】上述讨论仅仅公开和描述了本发明的典型实施方案。本领域技术人员在不背离随后权利要求中限定的本发明范围和精神的情况下能够从这种讨论和附图以及权利要求中做出各种变化、改进和变动。

Claims (20)

1.一种燃料电池系统，包括：
包括第一末端电池和第二末端电池的燃料电池组；
布置在第一末端电池中的第一末端电池加热器和布置在第二末端电池中的第二末端电池加热器；和
控制器，所述控制器提供控制信号给第一和第二末端电池加热器使得第一和第二末端电池的温度保持在高于燃料电池组工作温度的温度。
2.根据权利要求1的系统，其中控制器控制末端电池的温度在80℃-85℃的范围内。
3.根据权利要求2的系统，其中控制器控制末端电池的温度为82℃。
4.根据权利要求1的系统，其中第一和第二末端电池加热器是电耦合串联的，所述控制器选择用于第一和第二末端电池加热器的控制信号，所述加热器加热末端电池到最热末端电池的期望温度。
5.根据权利要求4的系统，其中第一和第二末端电池包括温度传感器，所述温度传感器提供温度信号给指示末端电池温度的控制器，使得控制器基于最热末端电池的温度能够加热末端电池。
6.根据权利要求1的系统，其中如果冷却液温度是60℃或更低，则控制器控制第一和第二末端电池加热器以加热末端电池到比用于冷却电池组的冷却液温度高20℃的温度。
7.根据权利要求1的系统，其中如果电池组的电流密度是0.2A/cm2或更小，则控制器控制第一和第二末端电池加热器以加热末端电池到比用于冷却电池组的冷却液温度高20℃的温度。
8.根据权利要求1的系统，其中贯穿电池组的整个功率范围控制器保持末端电池的温度高于燃料电池组的工作温度。
9.一种燃料电池系统，包括：
包括第一末端电池和第二末端电池的第一分离电池组；
包括第三末端电池和第四末端电池的第二分离电池组；
布置在第一末端电池中的第一末端电池加热器、布置在第二末端电池中的第二末端电池加热器、布置在第三末端电池中的第三末端电池加热器和布置在第四末端电池中的第四末端电池加热器；和
用于控制第一、第二、第三和第四末端电池加热器以控制第一、第二、第三和第四末端电池温度的控制器，所述控制器提供控制信号给第一、第二、第三和第四末端电池加热器，使得保持第一、第二、第三和第四末端电池的温度始终保持高于第一和第二分离电池组的工作温度。
10.根据权利要求9的系统，其中当冷却液的温度是60℃或更低或者第一和第二分离电池组上负载是0.2A/cm2或更低时，控制器加热第一、第二、第三和第四末端电池的温度到比冷却液温度高20℃的温度，该冷却液冷却第一和第二分离电池组。
11.根据权利要求9的系统，其中控制器控制末端电池的温度在80℃-85℃的范围内。
12.根据权利要求11的系统，其中控制器控制末端电池的温度为82℃。
13.根据权利要求9的系统，其中第一、第二、第三和第四末端电池加热器是电耦合串联的，所述控制器选择用于第一、第二、第三和第四末端电池加热器的控制信号，该末端电池加热器加热末端电池到最热末端电池的期望温度。
14.根据权利要求13的系统，其中第一、第二、第三和第四末端电池包括温度传感器，所述温度传感器提供温度信号给指示末端电池温度的控制器，使得控制器能够基于最热末端电池的温度加热末端电池。
15.一种用于控制燃料电池组中末端电池温度的方法，该方法包括：
在燃料电池组的末端电池中提供末端电池加热器；和
控制末端电池加热器使得末端电池的温度高于燃料电池组的工作温度。
16.根据权利要求15的方法，其中控制末端电池加热器包括控制末端电池加热器到具有80℃-85℃范围内的温度。
17.根据权利要求16的方法，其中控制末端电池加热器包括控制末端电池加热器到具有82℃的温度。
18.根据权利要求15的方法，还包括检测末端电池的温度和基于最热末端电池而控制末端电池的温度。
19.根据权利要求15的方法，其中如果冷却液是60℃或更低或者燃料电池组的输出负载是0.2A/cm2或更少，则控制末端电池加热器包括控制末端电池加热器使得末端电池的温度比冷却燃料电池组的冷却液的温度高20℃。
20.根据权利要求15的方法，其中控制末端电池加热器使得末端电池的温度高于燃料电池组的工作温度包括贯穿整个电池组的功率范围保持末端电池的温度高于燃料电池组的工作温度。
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