CN102097633A - 燃料电池系统的喷射器控制 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及燃料电池系统的喷射器控制。公开了一种采用用于将新鲜氢气和再循环气体提供给燃料电池堆得阳极侧的喷射器/喷出器的燃料电池系统。以可变频率运行喷射器/喷出器，从而在低堆电流密度，喷射器打开时间足够长，以允许阳极流通道中提供的压降将可能聚集在此的水排出。在一个实施例中，喷射器/喷出器控制提供每个周期的最小脉冲宽度和最大频率，从而随着堆电流密度减小到特定值之下，在最小脉冲宽度，频率从最大频率减小以维持脉冲宽度恒定。

Description

燃料电池系统的喷射器控制
技术领域
本发明总体涉及一种向燃料电池堆高效地提供阳极再循环的系统和方法，更具体地，涉及一种使用喷射器/喷出器向燃料电池堆的阳极侧高效地提供阳极再循环气体的系统和方法。
背景技术
氢是一种非常有吸引力的燃料，因为它干净且可以用于在燃料电池中高效地发电。氢燃料电池是一种电化学设备，包括其间具有电解质的阳极和阴极。阳极接收氢气，阴极接收氧或空气。氢气在阳极离解，以产生自由的质子和电子。质子通过电解质到阴极。质子与阴极的氧和电子反应以产生水。来自阳极的电子不能通过电解质，因此在被发送到阴极之前被指引通过载荷以执行做功。
质子交换膜燃料电池(PEMFC)是用于车辆的受欢迎的燃料电池。PEMFC通常包括固体聚合物电解质质子传导膜，诸如全氟磺酸膜。阳极和阴极通常包括精细分割的催化颗粒，通常是铂(Pt)，支撑在碳粒子上且与离聚物混合。催化混合物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定义了膜电极组件(MEA)。MEA制造成本相对高且需要特定的条件以有效地操作。
若干燃料电池通常组合在燃料电池堆内以产生期望的能量。例如，用于车辆的典型燃料电池堆可能具有两百个或更多堆叠的燃料电池。燃料电池堆接收阴极输入反应气体，通常是通过压缩器强迫经过堆的空气流。不是所有氧气都被堆消耗掉，部分空气作为阴极排气被输出，阴极排气可能包括作为堆副产品的水。燃料电池堆还接收流入到堆的阳极侧内的阳极氢反应气体。所述堆还包括流道，冷却液体流过该流道。
燃料电池堆包括位于堆内的若干MEA之间的一系列双极板，其中，双极板与MEA位于两个端板之间。双极板包括用于堆中的相邻的燃料电池的阳极侧和阴极侧。阳极气体流道位于双极板的阳极侧，允许阳极反应气体流到各自的MEA。阴极气体流道位于双极板的阴极侧，允许阴极反应气体流到各自的MEA。一个端板包括阳极气体流道，另一个端板包括阴极气体流道。双极板和端板由导电材料制成，诸如不锈钢或导电复合材料。端板将燃料电池产生的电传导到堆外。双极板还包括流道，冷却液体流过该流道。
一些燃料电池系统采用阳极再循环，其中，阳极排出气体返回到阳极输入端，从而排气中未使用氢气可以被再使用。通常，在阳极再循环回路中需要泵，从而将适当的压力以及再循环气体与新鲜氢气的适当比例提供给堆的阳极输入端，以提供高效地堆操作。对燃料电池堆不适当的阳极流量和压力可能导致低阳极流率，这样会使水聚集在阳极流道中。水聚集在阳极流道中可能导致阳极流动转向其他流道，其中那些供应堆中的某些燃料电池的流道会缺乏氢气，并且可能经历电压崩溃。在一个实施例中，必要的是，所提供的再循环气体是提供到堆的阳极侧的新鲜的氢的约一半。如果没有提供足够的再循环气体，则流率可能不足以高到将阳极流道中的多余的水排出。堆的电流密度越低，阳极流率越低，因此堆越可能被水淹。
提供给燃料电池堆的不适当的阳极流量和压力还可能导致低阳极流率，这样不能将氢气提供给堆中的每个燃料电池。如上所述，典型燃料电池堆可能具有两百个或更多的燃料电池。材料性质的公差可能导致部分燃料电池的更高的压降，因此减少供给个别燃料电池的气体量。如果没有提供足够的再循环气体，则流率可能不足以高到将足够氢气供给到具有个别的更高压降的燃料电池。
Pechtold等的公开号为2006/024548的美国专利申请公开了燃料电池系统的喷射器/喷出器，将阳极燃料和阳极排气的组合喷射到燃料电池堆的阳极侧。喷射器/喷出器被设计为取消阳极再循环系统中对再循环泵的需要。然而，可以对使用喷射器/喷出器做出改进以向燃料电池堆的阳极侧提供适当比例的新鲜氢气和阳极再循环气体从而实现高效的堆操作。
喷射器是脉冲设备，当喷射器打开时，气流基本上是恒定的，当喷射器关闭时，不提供流动。典型的喷射器控制使用可变占空比和固定频率。占空比是一个频率周期期间喷射器打开的时间比例。对燃料电池系统中喷射器控制的典型频率可以高达60Hz低至15Hz。对于更稳定的堆压力控制，有时优选的是更高频率。
以固定频率控制喷射器使得喷射器在燃料电池系统以低功率运行时仅打开非常短的时间。例如，在系统空闲时，占空比可以低至1％。在这种情况下，当以频率15Hz操作喷射器时喷射器打开时间低于1ms。尽管这足以供给适当量的氢气用于燃料电池反应，但是对于在燃料电池堆的阳极侧建立压降以在燃料电池堆的各部分实现足够高的气体速度来说，这个时间太短。对于均匀流动分布来说需要一定的压降，并且高气体速度将改善水管理。
发明内容
根据本发明的教导，公开了一种采用用于将新鲜氢气和阳极再循环气体提供给燃料电池堆的阳极侧的喷射器/喷出器的燃料电池系统。以可变频率操作喷射器/喷出器，从而在低堆电流密度时，喷射器打开时间足够长，以允许在阳极流道中提供的压降将可能聚集在此的水排出。在一个实施例中，喷射器/喷出器控制提供每周期最小脉冲宽度和最大频率，从而当堆电流密度减小到低于特定值时，频率从最大频率减小以维持脉冲宽度恒定在最小脉冲宽度。
根据下面结合附图进行的详细描述和所附权利要求，本发明的附加特征将变得明显。
本发明还提供了如下方案：
方案1.一种控制向燃料电池堆的阳极输入端提供新鲜氢气和再循环阳极排出气体的组合的喷射器/喷出器的方法，所述方法包括：
确定打开和关闭喷射器/喷出器的最大频率；
确定喷射器/喷出器打开时的最小脉冲宽度；
基于喷射器/喷出器的脉冲宽度和喷射器/喷出器的频率确定喷射器/喷出器的占空比；以及
当喷射器/喷出器的占空比减小到低于特定值时，减小喷射器/喷出器的频率以维持喷射器/喷出器信号的脉冲宽度在最小脉冲宽度。
方案2.根据方案1所述的方法，其中，占空比是堆电流密度、燃料电池堆的阳极侧压力改变和其他阀门的位置的函数。
方案3.根据方案1所述的方法，其中，最小脉冲宽度是5ms。
方案4.根据方案1所述的方法，其中，最大频率是15Hz。
方案5.一种控制向燃料电池堆的阳极输入端提供新鲜氢气和再循环阳极排出气体的组合的喷射器/喷出器的方法，所述方法包括：
当堆电流密度大于预定值时，使用固定频率和变化的占空比控制喷射器/喷出器；以及
当堆电流密度小于预定值时，控制喷射器/喷出器处于固定脉冲宽度和低于所述固定频率的变化的频率。
方案6.根据方案5所述的方法，其中，占空比是堆电流密度、燃料电池堆的阳极侧压力改变和其他阀门的位置的函数。
方案7.根据方案5所述的方法，其中，最小脉冲宽度是5ms。
方案8.根据方案5所述的方法，其中，最大频率是15Hz。
方案9.一种控制向燃料电池堆的阳极输入端提供新鲜氢气和再循环阳极排出气体的组合的喷射器/喷出器的系统，所述系统包括：
用于确定打开和关闭喷射器/喷出器的最大频率的装置；
用于确定喷射器/喷出器打开时的最小脉冲宽度的装置；
用于基于喷射器/喷出器的脉冲宽度和喷射器/喷出器的频率确定喷射器/喷出器的占空比的装置；以及
用于当喷射器/喷出器的占空比减小到低于特定值时，减小喷射器/喷出器的频率以维持喷射器/喷出器控制信号的脉冲宽度在最小脉冲宽度的装置。
方案10.根据方案9所述的系统，其中，占空比是堆电流密度、燃料电池堆的阳极侧压力改变和其他阀门的位置的函数。
方案11.根据方案9所述的系统，其中，最小脉冲宽度是5ms。
方案12.根据方案9所述的系统，其中，最大频率是15Hz。
附图说明
图1是采用阳极再循环回路和用于将新鲜氢气和再循环阳极排气喷射到燃料电池堆的阳极侧中的喷射器/喷出器的燃料电池系统的框图；
图2是水平轴为占空比且垂直轴为频率的曲线图，示出了在低堆电流密度时图1所示的喷射器/喷出器的相对于其占空比的频率改变；
图3a和图3b是水平轴为时间且垂直轴为压力的曲线图，分别对应固定频率喷射器/喷出器和固定脉冲宽度喷射器/喷出器；以及
图4是水平轴为时间，左垂直轴为电池电压且右垂直轴为喷射器/喷出器占空比/频率的曲线图，示出在固定频率15Hz和可变频率下的堆稳定性。
具体实施方式
涉及改变对向燃料电池堆的阳极侧提供阳极再循环气体的喷射器/喷出器的频率命令的方法的本发明的实施例的下面的讨论仅是示例性的，而不以任何方式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的框图。氢气源14通过喷射器/喷出器16向燃料电池堆12的阳极侧提供氢气。在阳极再循环线18上从燃料电池堆12输出阳极排出气体，阳极再循环线18将阳极排出气体返回到喷射器/喷出器16。如上所述，喷射器/喷出器16是具有占空比的已知设备，使得当喷射器/喷出器16打开时从源14提供氢气流且当喷射器/喷出器16关闭时切断到燃料电池堆12的氢气流。当喷射器/喷出器16打开时，通过孔口的新鲜氢气的高流率在喷射器/喷出器16中产生低压降，使得阳极再循环气体从线18被抽回喷射器/喷出器16。喷射器/喷出器16可以是用于此处所讨论的目的的任何适当的喷射器/喷出器，诸如’548申请中所公开的喷射器/喷出器。
如上所述，在低堆电流密度，对于适当燃料电池堆运行仅需要少量氢气。因此，喷射器/喷出器16的占空比通常随着堆电流密度的减小而减小，从而喷射器/喷出器16被打开的频率变小。如下面详细讨论，本发明基本基于燃料电池堆12的电流密度改变喷射器/喷出器16的频率，从而在低氢气流需求时，从源14提供的氢气量低，且适当，但是喷射器/喷出器16打开的时间足够长，以将水从燃料电池堆12的阳极流道中排出。换句话说，在低堆电流密度，喷射器/喷出器16打开的时间足够长，以在堆12中提供足够的阳极压力来排出水，但是喷射器/喷出器16打开的频率更小。因此，对于相应堆电流密度提供给堆的氢气量与在固定频率系统中提供的相同。
控制器20接收来自燃料电池堆12的电流密度读数，并且控制喷射器/喷出器16的占空比在期望的频率，如在此讨论。
在一个非限制实施例中，打开喷射器/喷出器16的命令的脉冲宽度基于固定最小脉冲宽度，诸如5ms。这通过改变喷射器脉冲的频率来实现，以确保喷射器/喷出器16的每个开循环为至少5ms。对于更高堆电流密度，频率可以具有最大频率，其中，一旦达到最大频率，则增加脉冲宽度以提供适当的氢气量。因此，当喷射器/喷出器16处于最大频率时，由于堆电流密度减小，脉冲宽度随着对氢气的需求的减少而减小，直到脉冲宽度减小到最小脉冲宽度。其后，喷射器/喷出器16的频率减小，从而为堆电流密度提供适当的氢气量，但是，对于每个频率循环，喷射器/喷出器16的打开时间保持恒定。
下面的等式用于计算喷射器/喷出器16脉冲宽度。
PW = DC f
其中，DC是喷射器/喷出器16的占空比，f是从控制器20提供的信号的频率。
重新排列等式(1)而求解频率，给出
f = DC PW
选择频率进行变化的理由是因为通过如下堆压力控制算法确定占空比：
DC = f ( j , dP An dt , ValvePos )
占空比是电流密度、堆12的阳极侧的压力改变和阳极子系统中其他阀门的位置的函数。仅在低堆电流密度下使用这种计算，其中，满足5ms固定脉冲宽度的频率小于15Hz。如果计算结果是大于15Hz，则将频率设置为15Hz。这些值仅是代表性的，因为对于任何适当的最大频率和最小脉冲宽度，可以使用上述方法。
图2是水平轴为占空比且垂直轴为频率的曲线图，示出在低占空比，即，堆电流密度，频率如何减小，当占空比达到大约10％时，达到最大频率，其中，随着电流密度增加仅占空比改变。
图3a和图3b是水平轴为时间且垂直轴为压力的曲线图，其中，曲线图3b针对的是在0.05A/cm2下的喷射器/喷出器16的固定频率15Hz，曲线图3a针对的是在相同电流密度下的喷射器/喷出器16的信号固定脉冲宽度，以示出使用本发明的固定脉冲宽度方案相对于本领域已知的脉冲宽度固定频率的在堆的阳极侧的压力增加。两个曲线的上面线是阳极入口压力，两个曲线的下面线是阳极出口压力。通过阳极流道的流量越大，穿过阳极流道的压力越高，如上曲线所示。因此，更多的水将从阳极流道被排出，并且足够的气体被供给堆12中的每个燃料电池。
图4是水平轴为时间，左垂直轴为电池电压且右垂直轴为喷射器/喷出器16的占空比/频率的曲线图，示出喷射器/喷出器16的频率控制的优点。线30是平均电池电压，线32是最小电池电压。线34示出对于15Hz的约1％的喷射器/喷出器占空比。在此频率和占空比，最小电池电压在特定点开始下降。当控制器20切换到线36所示的脉冲宽度控制时，最小电池电压返回到平均值，示出，与使用固定频率控制相比，使用喷射器/喷出器16的脉冲宽度控制使得堆12更加稳定。
上述讨论仅公开和描述了本发明的示例性实施例。根据这种讨论以及根据附图和权利要求，本领域的技术人员将很容易地理解，在不脱离所附权利要求限定的本发明的精神和范围的情况下，可以进行各种改变、修改和变形。

Claims (10)

1.一种控制向燃料电池堆的阳极输入端提供新鲜氢气和再循环阳极排出气体的组合的喷射器/喷出器的方法，所述方法包括：
确定打开和关闭喷射器/喷出器的最大频率；
确定喷射器/喷出器打开时的最小脉冲宽度；
基于喷射器/喷出器的脉冲宽度和喷射器/喷出器的频率确定喷射器/喷出器的占空比；以及
当喷射器/喷出器的占空比减小到低于特定值时，减小喷射器/喷出器的频率以维持喷射器/喷出器信号的脉冲宽度在最小脉冲宽度。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，占空比是堆电流密度、燃料电池堆的阳极侧压力改变和其他阀门的位置的函数。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，最小脉冲宽度是5ms。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，最大频率是15Hz。
5.一种控制向燃料电池堆的阳极输入端提供新鲜氢气和再循环阳极排出气体的组合的喷射器/喷出器的方法，所述方法包括：
当堆电流密度大于预定值时，使用固定频率和变化的占空比控制喷射器/喷出器；以及
当堆电流密度小于预定值时，控制喷射器/喷出器处于固定脉冲宽度和低于所述固定频率的变化的频率。
6.根据权利要求5所述的方法，其中，占空比是堆电流密度、燃料电池堆的阳极侧压力改变和其他阀门的位置的函数。
7.根据权利要求5所述的方法，其中，最小脉冲宽度是5ms。
8.根据权利要求5所述的方法，其中，最大频率是15Hz。
9.一种控制向燃料电池堆的阳极输入端提供新鲜氢气和再循环阳极排出气体的组合的喷射器/喷出器的系统，所述系统包括：
用于确定打开和关闭喷射器/喷出器的最大频率的装置；
用于确定喷射器/喷出器打开时的最小脉冲宽度的装置；
用于基于喷射器/喷出器的脉冲宽度和喷射器/喷出器的频率确定喷射器/喷出器的占空比的装置；以及
用于当喷射器/喷出器的占空比减小到低于特定值时，减小喷射器/喷出器的频率以维持喷射器/喷出器控制信号的脉冲宽度在最小脉冲宽度的装置。
10.根据权利要求9所述的系统，其中，占空比是堆电流密度、燃料电池堆的阳极侧压力改变和其他阀门的位置的函数。
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