CN101317290A - 响应于低需求而使空气分流的燃料电池动力装置 - Google Patents

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Abstract

一种可驱动车辆推进系统(159)的燃料电池系统，其包括具有叠组(151)的燃料电池动力装置，所述叠组包括多个燃料电池(12)，其各具有由膜(16)分隔开的阴极(19)和阳极(17)，以及通过分流阀(172)而连接在反应空气流场上的气泵(174)。控制器(185)响应于正常需求和高需求而促使分流阀容许空气从泵流向反应空气流场，并且响应于低需求而促使所述分流阀将空气直接分流到周围环境中，使其不会到达阴极，从而减少促进阴极老化的开路电压状态，并防止过大的性能下降。辅助负荷(220)可位于分流气流中，位于分流阀的前面或后面。能量存储系统(200，201)与车辆推进系统一起工作。

Description

响应于低需求而使空气分流的燃料电池动力装置
技术领域
本发明涉及一种燃料电池动力装置(fuel cell power plant)，其例如可用于为电动车提供动力，其中需求的快速减少导致阴极空气分流至周围环境中，从而避免阴极溶解和随之发生的严重的性能下降。
背景技术
带有蓄电池或功率容量增大能力的聚合物电解质的质子交换膜(PEM)燃料电池动力装置通常具有非常宽的需求范围，波动至非常低的需求导致了开路电压状态。在开路电压状态下，相对较高的阴极电压造成阴极催化剂溶解，其则导致性能下降。因为这种燃料电池还具有动力需求上的突然提升，流向阴极的反应剂气流必须是可获得的以满足这种需求，因此气泵在低需求期间必须连续操作，以适应对较高的动力需求的快速恢复。目前已经知晓使用虚假负荷来吸收这些状态下的某些过量的燃料电池输出功率，从而减小开路电压和阴极腐蚀。
发明公开
本发明的目的包括：控制为电动车或混合动力车辆提供功率的燃料电池叠组中的腐蚀和性能下降；将能量保存在低需求易反复发生的燃料电池动力装置中；在减少负荷期间，以与之前状态紧密关联的方式来控制燃料电解反应；保存否则会浪费掉的燃料和/或燃料电池动力装置中的能量；在具有较宽需求波动的燃料电池动力装置中减少开路电压状态；在具有较宽需求波动的燃料电池动力装置中减少阴极催化剂溶解；减小遇到较宽的需求波动的燃料电池动力装置中的性能下降；及改进燃料电池动力装置。
本发明以认识到以下事实为基础，即流向燃料电池动力装置阴极的反应空气(reactant air)会快速且显著的下降，其在燃料电池动力装置具有至低功率需量的快速波动时，显著地减少了将燃料电池叠组保持在安全电压下所需要的功率消耗，从而避免了紧随着需求减少而引起的阴极老化。本发明还以认识到这一事实为基础，即如果阴极反应剂泵(通常为吹风机)连续运行在几乎操作全速下，那么动力装置可快速响应输出动力需求上的突然提升。
根据本发明，由吹风机提供的反应空气被快速分流至周围环境，以响应于低的动力需求，其可能导致高的阴极电压状态，例如每电池大于0.85伏；在低输出动力需求期间，吹风机运行在比需求更高的水准下，并因而为响应输出动力需求上的快速提升作好准备。
根据本发明，无论在输出动力需求存在快速下降的任何时候，都可将可选的辅助负荷与正常负荷并联连接，从而耗散功率，所述功率是在消耗残留于叠组中的氧气，即处于流场中和吸附在催化剂上的残留氧气的过程中所产生的；辅助负荷在低需求期间可通过来自吹风机的空气进行冷却。
虽然某些来源于消耗残留的氧气所获得的功率可通过存储于蓄电池或电容器组中而恢复，假定蓄电池或电容器组处于充分放电状态以吸收功率，但是利用本发明可避免能量存储系统(蓄电池或电容器)充满电量而不能在输出动力需求快速减少期间吸收任何更多能量的情形。另外，在过渡到低需求期间减少了燃料消耗，因为更快速的氧气下降，其由于本发明而迅速地减少了燃料电池动力装置所产生的功率量。
根据以下对附图所示的其典型实施例的详细说明将更加明晰本发明的其它目的、特征和优势。
附图简要说明
图1是根据本发明的燃料电池动力装置的示意性的方框图，这种燃料电池动力装置在低需求期间使空气分流离开阴极。
图2是根据本发明的燃料电池动力装置的示意性的方框图，其在低需求期间将燃料电池叠组的能量耗散在辅助负荷中。
图3是根据本发明的图2实施例的备选方案的示意性的方框图。
用于实现本发明的模式
现在参看图1，车辆150包括燃料电池叠组151，其包括多个邻接的燃料电池，其各具有位于阳极17和阴极19之间的质子交换膜16，在图1中只显示了一个燃料电池12。燃料电池叠组151的正极和负极端子上的电输出通过一对线路155，156经由开关158而连接至电动车或混合动力车辆的推进系统159上。
水循环系统具有带排放口165的储槽164、压力控制微调阀166、诸如位于运水板84，86，88，89中的那些水通道、散热器和风扇168，169以及水泵170，散热器和风扇168，169可有选择地操作以冷却在系统中循环的水。入口173处的大气由泵，例如吹风机174、压缩机等来提供，穿过双向分流阀(diverter valve)172而流向阴极19的氧化剂反应气体流场，并从而穿过压力调节阀175而至排放口176。氢气自源179通过流量调节阀180而供给至阳极17的燃料反应气体流场，并从而穿过放气阀181而至排放口182。燃料再循环回路包括泵183。
控制器185响应由电流检测器186确定的负荷电流以及线路155，156上的电压；其还可将叠组的温度提供于线路187上。控制器则可控制线路190上的阀门180和在线路191上的阀门172，以及控制其它阀门、开关158和泵170，174，如图1中所示。
控制器185响应线路193-195上的来自车辆推进系统159的起动、速度和需求控制信号，其指示燃料电池何时应该开始操作，以及车辆推进系统所要求的功率数量。当在线路193上将起动信号从车辆推进系统159发送至控制器185时，来自控制器的信号将使阀门180，181和泵183进行恰当的操作，从而为阳极17的流场提供燃料反应气体，并且阀门172和175以及泵174将进行恰当的操作，以便为阴极19的流场提供大气。
当将足够量的燃料和空气提供给电池时，控制器185将检测线路155，156上的开路电压。这时，控制器可断开开关158，从而将燃料电池叠组151连接到车辆推进系统159上。
在起动或关闭期间，存储控制器200可通过将能量应用于能量存储系统201中而耗散存储在燃料电池叠组中的能量，能量存储系统在当前实施例中是车辆推进系统159的蓄电池。在其它实施例中，能量存储系统201可以是某些其它蓄电池，其可以是电容器或飞轮，或者其可以是某些其它能量存储装置。假定提供当前的电量状态合适的话，能量存储系统200，201可有助于分别在高或低需求期间提供或吸收功率。根据本发明，调整双向分流阀172，以便不提供，或提供一些或所有来自泵174的空气至阴极19的氧化剂反应气体流场。当负荷需求下降至燃料电池接近开路电压的点位时，例如当车辆减速、停止或下坡移动时，来自线路191上的控制器的信号调整阀门172，以便使某些或所有空气立即分流周围环境。在低需求期间，空气泵可工作在超过燃料电池中所需流量的空气流速下，使得叠组可快速响应上升的需求。如果在本发明的任何给定的实现形式中需要，控制器可在线路191上提供信号作为负荷的反函数，从而分流阀172使恰当比例的空气量分流周围环境。
通过利用分流阀172来排空空气，泵174可保持运转，并立即减少流向阴极的空气量，使得只有少量残余空气保留在阴极流场和电极结构中。在某些实施例中，在低负荷期间，或甚至在停止期间可减少泵174的速度。
可选地，刚才描述的本发明可结合耗散功率的辅助负荷220(图2)一起使用，其通过开关221由控制器连接在燃料电池输出线路155，156上，以响应线路191上的信号，其打开阀门172，以便使气流分流至周围环境。当来自泵174的气流经传送并穿过分流阀172而流向排放口时，其可对辅助负荷220进行冷却。这容许来自阴极中的残留氧气的更大的能量耗散。
本发明的一个备选实施例(图3)将辅助负荷220放置在分流阀172的下游，从而在正常操作期间没有压力降，但另一方面，这个实施例将必须伴有流向阴极的空气流量由于辅助负荷220上的压力降而引起的较不快的变化。辅助负荷220的物理位置优选能使其被大气冷却。
本发明还可用于固定的动力装置以及其它类型的动力装置。

Claims (10)

1.一种燃料电池动力装置，包括：
燃料电池叠组(151)，其包括多个燃料电池(12)，所述多个燃料电池(12)各具有带反应空气流场的阴极(19)和位于质子交换膜(16)相对侧的阳极(17)；
气泵(174)，其连接在所述空气流场上，用于为所述阴极提供反应空气；和
由所述叠组提供动力的负荷(159)；
其特征在于：
分流阀(172)设置在所述气泵和所述空气流场(159，200，201)之间，以用于有选择地使来自所述泵的空气分流至周围环境，而不使分流空气穿过所述空气流场；
控制器(185)，其响应于所述负荷的动力需求(195)以某种方式控制所述分流阀，从而至少使一些来自所述泵的空气分流至周围环境来响应动力需求的下降。
2.根据权利要求1所述的燃料电池动力装置，其特征在于：
所述分流阀(172)使所有来自所述泵(174)的空气分流至周围环境来响应所述负荷(159)的低需求。
3.根据权利要求1所述的燃料电池动力装置，其特征在于：
所述分流阀(172)被促使将一部分来自所述泵(174)的空气分流至周围环境来响应所述负荷(159)的低需求。
4.根据权利要求1所述的燃料电池动力装置，其特征还在于：
辅助负荷(220)，其可跨接在所述叠组(151)的功率输出端(155，156)上以响应所述控制器(185)，所述控制器(185)感应所述负荷的低需求。
5.根据权利要求4所述的燃料电池动力装置，其特征在于：
所述辅助负荷(220)设置在来自所述泵(174)的空气流中，位于所述泵和所述分流阀(172)之间。
6.根据权利要求4所述的燃料电池动力装置，其特征在于：
所述辅助负荷(220)设置在来自所述泵(174)的空气流中，位于所述分流阀(172)和周围环境之间。
7.一种电动车或混合动力车辆，其特征在于：
根据权利要求1所述的燃料电池动力装置，其中：
所述负荷是车辆推进系统(159)；
所述控制器(185)响应所述燃料电池叠组(151)的电压输出(155，156)和电流输出(186)以及来自所述车辆推进系统(159)的起动(193)、速度(194)和需求(195)信号；且
所述车辆推进系统可通过所述控制器(185)而连接(158)到所述燃料电池叠组的功率输出端，以响应所述信号。
8.根据权利要求7所述的电动车，其特征还在于：
辅助负荷(220)，其可通过所述控制器(185)连接在所述叠组(151)的功率输出端(155，156)上，以响应指示低需求的所述信号(155，156；186；193-195)。
9.根据权利要求1所述的燃料电池动力装置，其特征在于：
所述泵(174)的速度被减少以响应来自所述负荷的低需求。
10.根据权利要求9所述的燃料电池动力装置，其特征在于：
所述泵被停止以响应来自所述负荷的低需求。
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