CN101483248A - 阳极再循环泵控制策略 - Google Patents

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Abstract

一种用于在功率瞬时升高的过程中控制燃料电池堆能够向系统负载提供多少电流的控制策略。在给出功率瞬时升高指令时，基于阳极排气再循环泵多快能够满足排气再循环需求以使再循环阳极排气与新鲜的氢的比值保持大致恒定，所述控制策略限制燃料电池堆能够向负载提供的功率或电流大小。因此，在功率瞬时升高的过程中，由新鲜的氢与阳极排气一起提供的相对湿度使所述膜以所需的湿度水平保持在燃料电池堆中。在功率瞬时升高的过程中指令燃料电池堆功率与受限燃料电池堆功率之间的任何差值可由系统蓄电池提供。

Description

阳极再循环泵控制策略
技术领域
本发明主要涉及一种用于在功率瞬时升高的过程中控制来自燃料电池堆的输出功率或电流的系统和方法，且特别是，本发明涉及一种用于在功率瞬时升高的过程中限制燃料电池堆的输出功率或电流以便允许阳极排气再循环泵保持再循环阳极排气与新鲜的氢之比大致恒定的系统和方法。
背景技术
氢由于其清洁以及可用于在燃料电池中高效发电的性能而是一种非常有吸引力的燃料。氢燃料电池是包括阳极和阴极以及位于其间的电解质的电化学装置。阳极接收氢气且阴极接收氧或空气。氢气在阳极产生离解以产生自由氢质子和电子。氢质子通过电解质到达阴极。氢质子在阴极与氧和电子进行反应以产生水。来自阳极的电子不能通过电解质，且因此在被传输至阴极之前被引导通过负载而作功。
质子交换膜燃料电池(PEMFC)是一种车辆普遍采用的燃料电池。质子交换膜燃料电池通常包括固体聚合物电解质质子传导膜，如全氟磺酸膜。阳极和阴极通常包括担载在碳颗粒上且与离聚物混合在一起的极细分散的催化颗粒，所述催化颗粒通常为铂(Pt)。催化混合物被沉积在膜的相对侧上。阳极催化混合物、阴极催化混合物和膜的组合限定出膜电极组件(MEA)。
多个燃料电池通常被组合在燃料电池堆中以产生所需功率。燃料电池堆接收阴极输入气体，所述阴极输入气体通常为在压缩机的作用下受力通过燃料电池堆的空气流。燃料电池堆并未消耗所有的氧且一些空气作为阴极排气被输出，所述阴极排气中可包括作为燃料电池堆副产物的水。燃料电池堆还接收阳极氢输入气体，所述阳极氢输入气体流入燃料电池堆的阳极侧。
燃料电池堆包括位于燃料电池堆中的多个膜电极组件之间的一系列双极板，所述双极板和膜电极组件被定位在两块端板之间。双极板包括用于燃料电池堆中的相邻燃料电池的阳极侧和阴极侧。阳极气体流道被设置在双极板的阳极侧上，所述阳极气体流道允许阳极反应剂气体流至相应的膜电极组件。阴极气体流道被设置在双极板的阴极侧上，所述阴极气体流道允许阴极反应剂气体流至相应的膜电极组件。一块端板包括阳极气体流道，而另一块端板包括阴极气体流道。所述双极板和端板由导电材料如不锈钢或导电复合材料制成。所述端板传导由燃料电池堆中的燃料电池产生的电力。所述双极板还包括供冷却流体流动通过的流道。
燃料电池中的膜需要具有一定的相对湿度，从而使得膜两端的离子电阻足够低，以便有效地传导质子。该增湿作用可来自于燃料电池堆的副产物水或外部增湿作用。通过流道的反应剂气体流对膜而言具有干燥效应，尤为引人关注的是在流道入口处的干燥效应。同样，来自于膜的相对湿度和副产物水的水滴在流道内的积聚可能会阻止反应剂气体流过流道，并且导致燃料电池失效，由此影响到燃料电池堆的稳定性。在燃料电池堆输出负载较低的情况下，水在反应剂气体流道中的积聚是非常令人讨厌的。
所希望的是，燃料电池堆中的阳极流道内的氢分布是大体上恒定的以便使燃料电池堆正常运行。一些燃料电池系统将比燃料电池堆的特定输出负载所需的氢更多的氢输入燃料电池堆内以便易于实现该阳极气体更均匀的分布。然而，由于存在这种需求，因此阳极排气中的氢量就十分重要，且如果该氢被清除(discarded)则将导致系统效率的降低。因此，本领域中已公知的做法是：使用阳极再循环泵使阳极排气再循环回到阳极输入端以重新利用被清除的氢。
当给出对更高的燃料电池堆功率的请求时，这在本文中被称作功率瞬时升高，对压缩机给出指令从而向燃料电池堆阴极提供所需量的阴极空气，并且对阳极再循环泵和新鲜的氢的喷射器给出指令从而向燃料电池堆阳极提供所需量的氢用以满足功率请求。典型地，压缩机能够非常快速地提供阴极空气从而满足阴极输入要求并且氢的喷射器能够非常快速地提供新鲜的氢。然而，使阳极再循环泵旋转起来所耗费的时间更慢，这样对于在请求功率瞬时升高之后的一些时期中，防止了所需量的再循环阳极排气被输送至燃料电池堆的阳极入口侧。由于阳极入口区域发生局部干燥，这样可能会暂时地降低燃料电池堆的性能。另外，新鲜的氢与再循环阳极排气的比率发生变化，其中提供了比再循环阳极排气更多的新鲜的氢。由于新鲜的氢是干燥的并且再循环阳极排气得到增湿，因此燃料电池内的湿度水平下降，特别是在阳极入口区域中更是如此，这样就会导致燃料电池中的膜至少部分地干透，从而引发机械应力，所述机械应力可能会导致在燃料电池的膜中形成针孔或其它穿孔。此外，在该特定状态下，即在功率瞬时升高的过程中，所需的阳极气体体积流量可能不会得到满足。由于存在可能会不利地影响水管理的阳极出口区域中的更低的体积流量，因此这样就回导致产生局部的氢缺乏效应。进而，这样可能会导致阴极催化剂担载体受损，从而严重地影响到燃料电池的性能和耐久性。
发明内容
根据本发明的教导，披露了一种用于在功率瞬时升高的过程中控制燃料电池堆能够向系统负载提供多少电流的控制策略。在给出功率瞬时升高指令时，基于阳极排气再循环泵多快能够满足排气再循环需求以使再循环阳极排气与新鲜的氢的比值保持大致恒定，所述控制策略限制燃料电池堆能够向负载提供的功率或电流大小。因此，在功率瞬时升高的过程中，由新鲜的氢与阳极排气一起提供的相对湿度使所述膜以所需的湿度水平保持在燃料电池堆中。另外，确保了足够高的阳极气体通过量，从而避免产生任何局部氢缺乏效应。在功率瞬时升高的过程中指令燃料电池堆功率与受限燃料电池堆功率之间的任何差值可由系统蓄电池提供。
通过结合附图并阅读以下说明书和所附权利要求书将易于理解本发明的附加特征。
附图说明
图1是使用阳极排气再循环子系统的燃料电池系统的示意框图；和
图2是根据本发明的一个实施例的基于阳极再循环泵能够满足阳极再循环需求的能力用于在功率瞬时升高的过程中控制燃料电池堆能够提供功率大小的控制策略的框图。
具体实施方式
下文中针对在功率瞬时升高的过程中限制燃料电池堆的输出功率的控制策略对本发明的多个实施例进行的描述在本质上仅是示例性的，且绝不旨在限制本发明或其应用或使用。
图1是包括燃料电池堆12的燃料电池系统10的示意框图。燃料电池系统10中采用了阳极排气再循环，其中来自燃料电池堆12的阳极排气被输送至阳极再循环管线14，所述阳极再循环管线使阳极排气再循环回到燃料电池堆12的阳极输入端。阳极排气再循环泵16以所需速度将阳极排气泵送通过阳极再循环管线14，从而适应于燃料电池堆的功率需求。来自氢源18的新鲜的氢被喷射器20注入到阳极再循环管线14中，其中再循环阳极排气和来自氢源18的新鲜的氢在混合接合部22中相混合。
如本领域的技术人员容易理解地，所希望的是保持在全部燃料电池堆功率输出端处再循环阳极排气的体积与新鲜的氢的体积的比率恒定，从而使得所述氢得到高效地使用且混合在一起的新鲜的氢与再循环阳极排气的湿度处于一个已公知的水平用以对燃料电池堆12中的膜进行增湿控制。特别地，来自氢源18的新鲜的氢是干燥的且由于燃料电池堆12的运行使得来自燃料电池堆12的再循环阳极排气是湿的。通过控制新鲜的氢与再循环阳极排气的混合物，设置自阳极侧进入燃料电池堆12中的已公知的湿度水平，从而使得所述膜的相对湿度可以是已公知的。在一个实施例中，该再循环速度可被定义为
Figure A200910002904D00081
燃料电池系统10还包括在通向燃料电池堆12的阴极侧的阴极输入管线32上提供空气的压缩机30。来自燃料电池堆12的阴极排气从燃料电池堆12输出到阴极排气管线34上面。燃料电池系统10还包括蓄电池38。用于车辆的燃料电池系统典型地包括与燃料电池堆12一起提供补充或辅助功率从而满足系统负载需求的蓄电池。对于那些燃料电池堆12能够满足功率需求的情况而言，来自燃料电池堆12的电流也可以用于对蓄电池进行再充电。
控制器36响应于燃料电池堆12上的负载需求控制再循环泵16的转速、喷射器20和压缩机30，以便提供所需的燃料电池堆输出功率，如本领域的技术人员所理解地。
根据本发明，控制器36对在功率瞬时升高时的燃料电池堆电流上升(ramp up)进行限制，从而使得燃料电池堆12的输出功率适应再循环泵16提供再循环阳极排气的能力，从而使得新鲜的氢与再循环阳极排气之间的混合比率在功率瞬时升高的过程中保持大体上恒定。
图2是示出了控制器36操作的控制系统40的框图。控制系统40包括阳极再循环泵处理器42和压缩机处理器44。响应于燃料电池堆12上增大的负载需求的功率瞬时升高，阳极再循环泵处理器42提供了基于再循环泵16足够快地旋转起来从而提供保持再循环阳极排气与新鲜的氢之间的混合比率大体上恒定的所需阳极排气的能力识别从燃料电池堆12获取的最大电流的输出信号。随着时间的流逝和再循环泵16转速的增大，来自处理器42的输出信号的数值增加。另外，压缩机处理器44提供了基于压缩机30足够快地为指令的燃料电池堆负载提供阴极输入空气的能力识别从燃料电池堆12获取的最大电流的输出信号。
选择装置46选择来自处理器42和44的输出信号的两个数值中的较小的一个，所述被选择的数值通常为来自阳极再循环泵处理器42的数值，这是因为压缩机30一般能够提供压缩空气从而比再循环泵16能够提供再循环阳极排气更快地满足功率需求。所选定的燃料电池堆最大电流被输送至燃料电池堆功率或电流上升处理器48，所述处理器将燃料电池堆12的输出功率限制为能够由再循环泵16或者压缩机30提供的功率。由于基于该过程的用于功率瞬时升高的燃料电池堆最大电流可以小于满足负载所需的指令电流，因此，在功率瞬时升高时所允许存在的燃料电池堆最大电流与满足需求必要的功率之间的任何差值可由蓄电池38来提供。一旦再循环泵16能够满足指令燃料电池堆负载，其中来自处理器42和44的输出近乎相同，那么蓄电池38就可以脱开与负载的接合。
通过使用这种控制策略，有可能减小在瞬态负载过程中所产生的明显的阳极入口湿度的变化。这样就在燃料电池堆阳极入口区域中提供了具有得到改进的力学耐久性的膜电极组件。更高的总体阳极气体通过量改进了位于阳极出口区域上面的局部水管理并且避免产生对燃料电池堆耐久性不利的局部氢缺乏效应。另外，由于借助更大的气体流量实现了更佳的反应剂供应并且在瞬时功率时实现了更佳的水管理，因此在瞬时功率时的功率输出将会更好。
前面的讨论仅披露和描述了本发明的典型实施例。本领域的技术人员将易于通过这种讨论且通过附图以及权利要求书意识到：可在不偏离由以下权利要求书限定的本发明的精神和范围的情况下，对本发明作出多种改变、变型和变化。

Claims (17)

1、一种燃料电池系统，包括：
燃料电池堆；
用于向燃料电池堆阴极侧提供阴极入口空气的压缩机；
用于向燃料电池堆阳极侧的阳极输入端提供来自燃料电池堆阳极输出端的阳极排气的阳极再循环管线；
用于将来自阳极输出端的阳极排气泵送至阳极输入端的阳极排气再循环泵；
向阳极再循环管线提供新鲜的氢从而与阳极排气相混合的源；和
用于控制压缩机和阳极再循环泵的控制器，所述控制器响应于来自燃料电池堆的增大输出功率的需求，所述控制器基于阳极再循环泵多快能够向阳极输入端提供再循环阳极排气用以增大功率需求从而限制燃料电池堆的电流输出的上升，以便使新鲜的氢与再循环阳极排气的比值保持大致恒定。
2、根据权利要求1所述的系统，其中所述控制器确定阳极再循环泵和压缩机的满足功率需求的能力，并且选择能够满足所述需求的两者中更慢的一个。
3、根据权利要求1所述的系统，进一步包括蓄电池，如果阳极再循环泵不能足够快地提供再循环阳极排气的话，所述蓄电池提供附加功率从而满足增大的功率需求。
4、根据权利要求1所述的系统，进一步包括用于将新鲜的氢从所述源注入到阳极再循环管线中的喷射器。
5、根据权利要求1所述的系统，其中所述燃料电池系统被设置在车辆上面。
6、一种燃料电池系统，包括：
燃料电池堆；
用于将来自燃料电池堆的阳极排气引导至燃料电池堆阳极侧的阳极输入端的阳极再循环管线；
用于使来自阳极输出端的阳极排气再循环至阳极输入端的阳极再循环泵；
向阳极再循环回路提供新鲜的氢从而与阳极排气相混合的源；和
用于控制阳极再循环泵的控制器，所述控制器响应于来自燃料电池堆的增大的功率需求，并且基于所述再循环泵足够快地进行运转以将再循环阳极排气提供至燃料电池堆阳极侧的能力，从而限制燃料电池堆的输出功率。
7、根据权利要求6所述的系统，进一步包括用于向燃料电池堆阴极侧提供阴极入口空气的压缩机。
8、根据权利要求6所述的系统，其中所述控制器确定阳极再循环泵和压缩机的满足增大的功率需求的能力，并且选择能够满足所述需求的两者中更慢的一个。
9、根据权利要求6所述的系统，进一步包括蓄电池，如果阳极再循环泵不能足够快地提供再循环阳极排气的话，所述蓄电池提供附加功率从而满足增大的功率需求。
10、根据权利要求6所述的系统，其中所述控制器基于阳极再循环泵多快能够向阳极输入端提供再循环阳极排气用以增大功率需求从而限制燃料电池堆的电流输出的上升，以便使新鲜的氢与再循环阳极排气的比值保持大致恒定。
11、根据权利要求6所述的系统，进一步包括用于将新鲜的氢从所述源注入到阳极再循环管线中的喷射器。
12、根据权利要求6所述的系统，其中所述燃料电池系统被设置在车辆上面。
13、一种用于控制来自燃料电池堆的输出功率的方法，所述方法包括以下步骤：
利用阳极排气再循环泵使来自燃料电池堆的阳极排气再循环至燃料电池堆的阳极输入端；
使新鲜的氢与再循环阳极排气相混合；
基于阳极再循环泵多快能够向阳极输入端提供再循环阳极排气用以增大功率需求从而限制燃料电池堆的电流输出的上升，以便使新鲜的氢与再循环阳极排气的比值保持大致恒定。
14、根据权利要求13所述的方法，进一步包括如果阳极再循环泵不能足够快地提供功率的话，则使用蓄电池满足增大的功率需求。
15、根据权利要求13所述的方法，进一步包括使用压缩机向燃料电池堆阴极侧提供入口空气。
16、根据权利要求15所述的方法，其中限制燃料电池堆的功率输出的步骤包括确定阳极再循环泵和压缩机的满足增大的功率需求的能力，并且由能够满足所述需求的两者中更慢的一个的能力限制燃料电池堆的输出功率。
17、根据权利要求13所述的方法，其中混合新鲜的氢与再循环阳极排气的步骤包括使用喷射器从而将新鲜的氢注入到阳极再循环管线中。
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