CN101197451A - 用于燃料电池系统的阴极入口气流的热控制 - Google Patents

用于燃料电池系统的阴极入口气流的热控制 Download PDF

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Abstract

一种用于燃料电池系统中气流热控制的方法和设备，其能够精确地控制进入水蒸汽传递单元的气流温度，保持所希望的温度设定值，并且减少气流达到最适宜的操作温度所需的时间。

Description

用于燃料电池系统的阴极入口气流的热控制
技术领域
本发明涉及一种燃料电池系统的操作方法。更详细地讲，本发明涉及一种用于氢燃料电池中阴极入口气流热控制的方法和设备。
背景技术
在最现代的燃料电池系统中，压缩机将压缩空气提供给燃料电池组，并且水蒸汽传递单元在压缩空气进入燃料电池组之前使其潮湿。以燃料电池操作所需的空气质量流量(mass flow rate)脱离压缩机的气流的温度通常超过水蒸汽传递单元所希望的热界限。
控制系统通常使用热交换器以保持脱离压缩机的气流温度低于水蒸汽传递单元的热界限。
在这种燃料电池系统中，流到热交换器中的冷却剂不能停止。存在可能希望加热进入阴极的气流的情况，例如在启动燃料电池时，但是进入热交换器的冷却剂温度较低并且冷却空气。因此，不必要地延长了达到所希望的操作温度所需的时间。此外，这种燃料电池系统不能保持对进入水蒸汽传递单元的气流的有效控制，并且不能够保持所希望的温度。这妨碍了水蒸汽传递单元以最适宜的水平运行。
希望研制一种用于精确控制进入水蒸汽传递单元的气流温度的方法和设备，其可保持所希望的温度并且减少气流达到所希望的操作温度所需的时间。
发明内容
根据本发明已经令人惊讶地被发现一种用于控制进入燃料电池系统中水蒸汽传递单元的气流温度的方法和设备。这种方法将进入水蒸汽传递单元的气流保持在所希望的温度，并且减少气流达到最适宜的操作温度所需的时间。
在一个实施例中，该用于燃料电池系统中气流热控制的方法包括步骤：提供流体地(fluidly)连接到热交换器上的系统冷却剂回路，热交换器流体地连接到燃料电池组上，并且系统冷却剂回路包含第一流体；在燃料电池系统中预定的点处确定实际的气流温度；在预定的点处确定所希望的气流温度；以及控制第一流体的至少一部分从系统冷却剂回路到热交换器的流动作为在预定的点处的实际的气流温度和所希望的气流温度的函数以获得所希望的温度。
在另一个实施例中，该用于燃料电池系统中气流热控制的方法包括步骤：提供燃料电池组、第一流体、系统冷却剂回路、热交换器、至少一个水蒸汽传递单元、第一阀、第二阀以及辅助冷却热交换器；在水蒸汽传递单元的入口处确定实际的气流温度；确定所希望的气流温度作为温度的函数，在所希望的气流温度下水蒸汽传递单元以最高的效率操作；以及用第一阀和第二阀控制第一流体的至少一部分从系统冷却剂回路到热交换器的流动以获得所希望的温度，其中第一阀在开启时将一部分第一流体从系统冷却剂回路引入热交换器中，而第二阀在开启时将冷却剂从系统冷却剂回路在冷却剂进入热交换之前引入辅助冷却热交换器中。
在另一个实施例中，用于燃料电池系统中气流热控制的设备包括：经由第一管道流体地连接到燃料电池组阴极侧上的空气压缩机、设置在空气压缩机和燃料电池组阴极侧之间的第一管道中的热交换器、设置在热交换器和燃料电池组阴极侧之间的第一管道中的至少一个水蒸汽传递单元、设置在热交换器和水蒸汽传递单元之间的管道中的温度传感器、经由第二管道流体地连接到热交换器上并且经由第三管道流体地连接到系统冷却剂回路上的阀阵列、经由第四管道流体地连接到阀阵列上并且经由第二管道流体地连接到热交换器上的辅助冷却热交换器、经由第一线路与阀阵列电连通并且经由第二线路与温度传感器电连通的控制系统，其中控制系统响应从温度传感器接收的电信号并且选择性地影响阀阵列以将第一流体从系统冷却剂回路引入热交换器和辅助冷却热交换器中的至少一个中以获得离开管道并进入水蒸汽传递单元的空气的所希望的温度。
附图说明
通过下列优选实施例的详细描述同时参照附图，本发明的上述以及其它优点对本领域技术人员来说将变得显而易见，其中：
图1是根据本发明的实施例的燃料电池系统的示意图；
图2是显示阀命令(valve command)作为用于图1所示燃料电池系统的总的工作循环(duty cycle)百分比的曲线的曲线图；
图3是显示图1中所示燃料电池系统所希望的阴极空气设定值与实际的温度控制摄氏度对时间相比较的曲线的曲线图；以及
图4是水蒸汽传递单元的不完全透视图并且根据图1中所示本发明的实施例示意性地显示了关联的部件。
具体实施方式
下列详细描述以及附图描述和显示了本发明各种示例性的实施例。该描述和附图用以使本领域技术人员能够制造和使用本发明，而并非意在以任何方式限制本发明的范围。关于所公开的方法，所展示的步骤实际上是示例性的，并且因而该步骤的顺序不是必需或紧要的。
现在参照图1，显示了带有关联部件的燃料电池系统的基本布置；在实践中可能存在许多变型。图示燃料电池组10集成到燃料电池系统中并且包括多个如图所示串联电连接的单独的燃料电池。应当进一步理解的是，单独的燃料电池可以并联电连接而不脱离本发明的范围。燃料电池组10所有单独的燃料电池的阳极侧以本领域公知的方式连接在一起，对于合成的阳极侧组用参考标号12标明。以相似的方式，将燃料电池组10燃料电池的阴极侧以本领域公知的方式连接在一起，对于合成的阴极侧组用参考标号14标明。各种类型燃料电池系统的操作在本领域中是公知的；在共同拥有的专利6,849,352中可以找到一个实施例，该专利通过引用整体地结合于本文中。因此，仅燃料电池系统的操作作为和本发明有关的内容将在描述中说明。
在这里描述的示例性的实施例中，燃料电池系统包括控制系统16。控制系统16经由线路(connection)18电连接到电动机20上。线路18可为电连通的任何常规方式。电动机20与压缩机22结合。压缩机22经由空气供应管道26与燃料电池组10的阴极入口24流体连通。管道26可为提供密封通道的任何常规管道。
增湿器(humidifier)28设置在压缩机22和阴极入口24之间的管道26中。增湿器28包括至少一个水蒸汽传递单元23和入口温度传感器25。入口温度传感器25经由线路27与控制系统16电连通。水蒸汽传递单元23与阴极排放(cathode exhaust)15以及系统排放(systemexhaust)流体连通，如图4中所示。
热交换器30设置在压缩机22和增湿器28之间的管道26中。热交换器30经由管道32与阀阵列35流体连通。阀阵列35包括旁通阀36和冷却阀38。旁通阀36经由管道40与燃料电池系统冷却剂回路58以及冷却阀38流体连通。排放管道31将热交换器30和燃料电池系统冷却剂回路58流体地连接。
控制系统16经由线路56与旁通阀36电连通，并且经由线路54与冷却阀38电连通。
冷却阀38经由管道50与辅助冷却热交换器51流体连通。辅助冷却热交换器51经由管道52与热交换器30流体连通。辅助冷却热交换器51可为任何适当大小的冷却热交换器，例如轮罩散热器(wheelhouse radiator)。
在操作中，空气经由管道42供应给压缩机22。压缩机22由电动机20驱动。由压缩机22压缩的空气经由管道26经过热交换器30和增湿器28供应给燃料电池组10的阴极入口24。
脱离压缩机22的压缩空气的温度通常高于便于水蒸汽传递单元23有效操作的所希望的温度。以燃料电池操作正常必需的流量离开压缩机22的空气通常大约为120摄氏度。水蒸汽传递单元23在所示的实施例中可接受的热界限是约90摄氏度。
热交换器30以本领域公知的方式影响行进经过热交换器30的空气温度。冷却剂(未显示)经由管道32进入热交换器30。循环经过热交换器30的冷却剂的温度和流动受到控制以达到所希望的空气温度。通常，在正常操作过程中当周围温度约为20摄氏度时，冷却剂保持在大约60到80摄氏度。
水蒸汽传递单元23在将空气输送到燃料电池组10之前通过将湿气从阴极排放15中的一部分空气传送到管道26中的气流内使空气潮湿。希望控制空气湿度以使燃料电池组10的操作最优化。此外，希望保持进入增湿器28和水蒸汽传递单元23的空气温度以便辅助增湿过程。进入增湿器28的空气温度由入口温度传感器25测量，并且经由线路27传达给控制系统16。
在这里所示的实施例中，包括阀36、38的阀阵列35保持了进入增湿器28和水蒸汽传递单元23的所希望的空气温度。用于冷却整个燃料电池系统的一部分冷却剂从燃料电池系统冷却剂回路58进入阀阵列35。控制系统16经由线路56决定旁通阀36的位置，并且经由线路54决定冷却阀38的位置。旁通阀36选择性地使冷却剂绕过辅助冷却热交换器51并且进入热交换器30。冷却阀38在冷却剂经由管道52进入热交换器30之前选择性地使冷却剂经由管道50流动到辅助冷却热交换器51内。冷却剂在通过热交换器30之后经由排放管道31回到燃料电池系统冷却剂回路58。进入增湿器28的气流所希望的温度通过用控制器16平衡经过阀36、38的冷却剂流量保持。应当进一步理解的是，阀阵列35可包括不同的数量和排列的阀而不脱离本发明的范围。
在这个实施例中，首先必需选择旁通阀36和冷却阀38开启多长时间，近似于缓慢的工作循环途径(approach)，以便平衡经过阀36、38的冷却剂流量并且保持进入增湿器28的气流所希望的温度。例如，如果最长的阀开启时间是四秒，阀上75％的工作循环相当于三秒开启和一秒关闭。为了说明当前发明的目的，假定最长的开启时间已经选定并且该控制将仅根据工作循环论述。
在图2中显示了阀命令方法70的极限，其中系统控制器16不保持经过热交换器30的恒定的冷却剂流量。在有些情况下例如从冷态启动燃料电池组10时可能不希望保持恒定的冷却剂流量。
例如，如表格1中所示，如果进入热交换器30的空气温度高于系统冷却剂回路58中冷却剂的温度，则控制系统16执行表格1中的最大加热(1)。用于旁通阀38的0％工作循环以及用于冷却阀36的0％工作循环限制了冷却剂从燃料电池系统冷却剂回路58到热交换器30的流动，从而允许较暖的空气进入增湿器28而没有被较低温度的冷却剂冷却。
                            表格1
  比例-积分-微分(PID)控制输出   旁通阀％   冷却阀％
最大加热(1) 0％ 0％ 0％
  8％   25％   0％
  17％   50％   0％
  25％   100％   0％
  最大加热(2)   33％   100％   0％
  42％   100％   25％
  50％   100％   50％
  58％   100％   75％
  67％   100％   100％
  75％   75％   100％
  83％   50％   100％
  92％   25％   100％
  最大冷却   100％   0％   100％
可能进一步希望控制系统16执行表格1中的最大加热(1)，以便当燃料电池系统在低功率操作或空转时提高效率和燃料消耗量。由压缩机22压缩的空气温度通常不会充分地增加到超过周围温度，并且当燃料电池系统在低功率操作或空转时保持低于热交换器30中冷却剂的温度。通常，燃料电池系统需要使用额外的燃料，以便在空转和低功率操作过程中保持燃料电池组10温度，这是因为进入热交换器30的较冷的空气降低了燃料电池系统冷却剂回路58中冷却剂的温度。执行最大加热(1)限制了冷却剂从燃料电池系统冷却剂回路58到热交换器30的流动，从而允许较冷的空气进入增湿器28而不降低燃料电池系统冷却剂回路58中冷却剂的温度。当来自阴极排放15中气体的湿气传送给水蒸汽传递单元23中的空气时，管道26中空气的温度将增加。
如果系统冷却剂回路58内冷却剂的温度大于进入热交换器30的空气温度，那么控制系统16利用表格1中的最大加热(2)控制阀阵列35。用于旁通阀38的100％工作循环以及用于冷却阀36的0％工作循环允许来自系统冷却剂回路58的冷却剂进入热交换器30而不经过辅助冷却热交换器51，并且因而在空气进入增湿器28之前使空气温度上升。图2显示了用于阀命令方法70极限的阀工作循环。
在备选的实施例中，控制阀阵列35的阀命令方法70的极限可利用比例-积分-微分控制器执行，一般称作PID控制器(未显示)。表格1显示了PID控制器的控制输出对控制系统16执行的旁通阀36和冷却阀38的工作循环的转换。PID控制器输出是在最大加热(1)和最大冷却之间的饱和型(saturation type)控制。当系统冷却剂回路58的冷却剂温度大于压缩机22外部的空气温度时，PID控制器以最大加热(2)开始。
图3显示了当燃料电池系统电流密度80从0.5A/cm2随机地变成1A/cm2时，阀命令控制方法极限的结果。图3证明了所希望的阴极空气温度84接近地追踪温度控制82，并且阀命令方法70的极限产生所希望的结果。
图2还显示了用于备选的控制方法，同步启动控制方法72的冷却阀38和旁通阀36工作循环曲线图，其中控制系统16保持经过热交换器30的恒定的冷却剂流量。冷却阀38和旁通阀36的同步启动是所希望的，以便保持经过热交换器30的冷却剂恒定的流量。
例如，如果所希望的控制是用于旁通阀36的25％工作循环和用于冷却阀38的75％工作循环，那么旁通阀36仅开启总的工作循环的最初25％，而冷却阀38仅开启总的工作循环的剩余75％，以便确保存在到热交换器30的恒定的冷却剂流量。
同步启动控制方法72是从属的应用，并且如果热交换器30为最佳的效力需要恒定的冷却剂流量，则可以是所希望的。
通过前面的描述，本领域普通技术人员可容易地确定本发明的实质特征，并且不脱离本发明的精神和范围而对本发明做出各种变化和变型以使其适应各种应用和状况。

Claims (20)

1.一种用于燃料电池系统中气流热控制的方法，所述方法包括步骤：
(a).提供流体地连接到热交换器上的系统冷却剂回路，所述热交换器流体地连接到燃料电池组上以提供所述气流，并且所述系统冷却剂回路包含流体；
(b).确定在所述燃料电池系统中预定的点处的所述气流实际的温度；
(c).确定在所述预定的点处的所述气流所希望的温度；以及
(d).控制所述流体的至少一部分从系统冷却剂回路到所述热交换器的流动，使所述流动作为在所述预定的点处的所述气流实际的温度和所述气流所希望的温度的函数，以便获得所述所希望的温度。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法包括在所述预定的点处用连接到所述气流路径中的温度传感器来执行所述步骤(b)。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述流体是冷却剂。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述预定的点是增湿单元的入口。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述增湿单元包括至少一个水蒸汽传递单元。
6.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述方法包括通过确定所述所希望的温度作为温度的函数来执行所述步骤(c)，所述至少一个水蒸汽传递单元在所希望的温度下以最高效率操作。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法包括用阀阵列来执行所述步骤(d)，以便控制所述流体的至少一部分从所述系统冷却剂回路到所述热交换器的流动。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述阀阵列包括第一分立阀和第二分立阀。
9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述第一分立阀是旁通阀，并且所述旁通阀在开启状态将所述流体的至少一部分引出所述系统冷却剂回路并且引入所述热交换器。
10.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述第二分立阀是冷却阀，并且所述冷却阀在开启状态将所述流体的至少一部分引出所述系统冷却剂回路并且在其进入所述热交换器之前将之引入辅助冷却热交换器。
11.如权利要求10所述的方法，其特征在于，所述辅助冷却热交换器是轮罩散热器。
12.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述方法包括通过用阀命令方法极限控制所述第一分立阀和所述第二分立阀来执行步骤(d)。
13.如权利要求12所述的方法，其特征在于，所述阀命令方法极限利用比例-积分-微分控制器来执行。
14.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述方法包括通过用同步启动控制方法控制所述第一分立阀和所述第二分立阀来执行步骤(d)。
15.一种用于燃料电池系统中气流热控制的方法，所述方法包括步骤：
(a).提供燃料电池组、系统冷却剂回路中的流体、连接到至少一个水蒸汽传递单元上的热交换器、第一阀、第二阀以及辅助冷却热交换器；
(b).确定在所述水蒸汽传递单元入口处的气流实际的温度；
(c).确定所述气流所希望的温度作为温度的函数，所述水蒸汽传递单元在所述所希望的温度下以最高效率操作；以及
(d).用所述第一阀和所述第二阀控制所述流体的至少一部分从所述系统冷却剂回路到所述热交换器的流动，以便获得所述所希望的温度，其中，所述第一阀在开启时将所述流体的一部分从所述系统冷却剂回路引入所述热交换器，而所述第二阀在开启时将所述流体从所述系统冷却剂回路在所述流体进入所述热交换器之前引入所述辅助冷却热交换器。
16.如权利要求15所述的方法，其特征在于，所述方法包括通过用阀命令方法极限控制所述第一分立阀和第二分立阀来执行步骤(d)。
17.如权利要求15所述的方法，其特征在于，所述阀命令方法极限利用比例-积分-微分控制器来执行。
18.如权利要求15所述的方法，其特征在于，所述方法包括通过用同步启动控制方法控制所述第一分立阀和第二分立阀来执行步骤(d)。
19.一种用于燃料电池系统中气流热控制的设备，其包括：
经由第一管道流体地连接到燃料电池组阴极侧上的空气压缩机；
设置在所述空气压缩机和所述燃料电池组阴极侧之间的所述第一管道中的热交换器；
设置在所述热交换器和所述燃料电池组阴极侧之间的第一管道中的至少一个水蒸汽传递单元；
设置在所述热交换器和所述至少一个水蒸汽传递单元之间的所述管道中的温度传感器；
经由第二管道流体地连接到所述热交换器上，并且经由第三管道流体地连接到系统冷却剂回路上的阀阵列；
经由第四管道流体地连接到所述阀阵列上并且经由所述第二管道流体地连接到所述热交换器上的辅助冷却热交换器；
经由第一线路与所述阀阵列电连通，并且经由第二线路与所述温度传感器电连通的控制系统，其中，所述控制系统响应从所述温度传感器接收的电信号并且选择性地影响所述阀阵列，以便将流体从所述系统冷却剂回路引入所述热交换器和辅助冷却热交换器中的至少一个，从而获得离开所述热交换器并且进入所述至少一个水蒸汽传递单元的空气的所希望的温度。
20.如权利要求19所述的设备，其特征在于，所述阀阵列包括旁通阀和冷却阀。
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