CN107210463B - 燃料电池系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种燃料电池系统，其包括：‑电化学电池堆(10)，电化学电池由双极板隔开，并且每个电池包括正极、负极以及离子交换膜；‑燃料气体供给回路和氧化剂气体供给回路；以及‑使冷却液循环的冷却回路，该冷却回路包括次级回路和比所述次级回路更小的初级回路，初级回路和次级回路通过恒温阀(2)彼此隔开；‑微型泵(6)，该微型泵安装于电池堆的出口处并且允许电池堆内的水量被搅动，该系统还包括用于确定电池堆的核的内部温度的装置和用于在内部温度超过预定阈值时激活初级冷却回路的装置。

Description

燃料电池系统

技术领域

本发明涉及燃料电池堆，并且更具体地但并非未唯一地涉及其中电解质采用聚合物膜的形式的燃料电池堆(即，PEFC(聚合物电解质燃料电池))。

更具体而言，本发明涉及意指在极冷温度条件下被使用并且尤其是被启动的燃料电池堆系统。

背景技术

已知的是，燃料电池堆使得可以借助电化学氧化还原反应直接由燃料气体和氧化剂气体产生电力，而不需要中间转换为机械能。该技术对于汽车应用显得尤其有前景。燃料电池堆通常包括基础电池堆，每个基础电池包括正极、负极以及充当电解质的离子交换膜。在燃料电池堆工作期间，同时发生两种电化学反应：正极处的燃料的氧化反应，和负极处的氧化剂的还原反应。这两种反应产生正离子和负离子，正离子和负离子在膜处结合在一起并且以电势差的形式产生电力。在氢氧燃料电池的情况下，是H⁺离子和O^-离子结合在一起。

膜电极组件或电池串联地堆放并且由双极板隔开，所述双极板将电子从一个电池的正极引导至相邻电池的负极。为此，在双极板的与膜电极组件接触的两个面上均设置有通道。每个通道具有供燃料或氧化剂从其进入的入口和供多余气体和由电化学反应产生的水从其排出的出口。

燃料电池堆具有多种潜在应用，尤其是移动应用。在这种情况下，这些燃料电池堆在极端温度条件下可被请求工作。因此，当外部温度下降至大幅低于零时，例如约为-20℃，燃料电池堆的内部温度也会下降，直至偶然达到0℃以下的温度。针对燃料电池堆的冷启动程序的目的在于：在燃料电池堆开始排出由电化学反应产生的水之前，使燃料电池堆的内部温度提升至水的冰点以上。为了允许瞬间启动并避免寄生功率消耗，可设想在负温度开始之前对燃料电池堆进行预加热。

注意到的是，在大幅低于零的温度下，燃料电池堆的工作在启动的时候变得至关重要。因此，提供能够在这些温度下启动的燃料电池堆系统将是有用的。

例如，根据申请WO 2005/078847可知一种设置有冷却回路的燃料电池堆系统，该冷却回路被划分为两个部分。因此，所述冷却回路包括初级回路和次级回路。较小的次级回路设置有小泵以允许电池堆内部的水量能够被单独地混合，而不会经由初级回路送回。因此，由电池堆排出的热水能更快速地返回至燃料电池堆，而不用花费时间来进行冷却，从而有助于电池堆的冷启动。

在第一示例中，由于仅次级回路的泵处于工作中，因此初级冷却系统不活动。现在，在这种系统中，将温度传感器布置于初级冷却回路中，以便确定需要启动冷却的时刻。如果初级回路未处于工作中，则无法获取这种温度信息，这是很危险的，因为在初级回路未被激活的情况下会出现次级回路内的局部过热情况。

因此，本发明旨在通过提供一种在确保电池堆的完整性的同时允许冷启动的燃料电池堆系统来克服该缺陷。

发明内容

因此，本发明涉及一种燃料电池堆系统，其包括：

-电化学电池堆，电化学电池由双极板隔开，并且每个电化学电池包括正极、负极以及离子交换膜；

-燃料气体供给回路和氧化剂气体供给回路；以及

-允许冷却液循环的冷却回路，该冷却回路包括次级回路和尺寸比所述次级回路更小的初级回路，各回路通过恒温阀彼此隔开；

-微型泵，该微型泵位于电池堆的出口处并且允许电池堆内的水量被混合，

并且该系统还包括用于确定电池堆核的内部温度的装置和用于在内部温度上升至预定阈值以上时激活初级冷却回路的装置。

在一优选实施方案中，该系统还包括用于确定初级冷却回路内的温度的装置。这些装置例如采用安装于初级回路中的温度传感器的形式。

在一优选实施方案中，用于激活初级回路的装置包括用于以连续和/或脉冲模式激活安装于初级回路中的泵的装置。

泵的激活模式取决于所确定的内部温度以及冷却回路内的温度。

○当电池堆的内部温度高于第一预定阈值并且进入电池堆之前的冷却液的温度低于第二预定阈值时，冷却泵被命令以脉冲模式工作。

○当冷却回路内的温度上升至第二预定阈值以上时，冷却泵被命令以连续模式工作。

电池堆的内部温度是电池堆核心温度的估计值。第一预定阈值选择为使得冷却液不必太快流动，太快流动将导致突然冷却，从而引起电池堆中产生的水冻结的风险。第二阈值选择为避免未被冷却的燃料电池堆的任何局部过热，然而却不会引起穿过电池堆的电池的端子的电压下降。

具体地，冷却泵以脉冲模式激活使得能够将仍然冷的水逐渐地输注至电池堆中，并且由此保持穿过燃料电池堆的电池的端子的可接受电压。

在另一实施方案中，作为脉冲模式控制的替代方案，使用具有极低流速能力的变速冷却泵。在这种情况下，仅以连续模式激活泵。然而，在极低温度下冷却液的粘度极高，并且难以利用针对较低粘度的液体和高得多的流速设计的常规冷却泵来实现低流速。脉冲模式控制使得能够在不必使用复杂度较高的泵的情况下实现平均流速的控制的必要精度水平。脉冲模式控制还使得能够在不必使用流量计的情况下更好地确保液体恰当地流动。

在一有利实施方案中，在考虑构成电池堆的材料的热容量和质量的同时确定电池堆的内部温度，并且通过电池堆使热能消散。因此，使用以下类型的公式：

其中：

Teta_FC：PEMFC的估计温度[℃]

NbCell：形成电池堆的电池的数量[16]

U_FC：电池堆上的总电压[V]

I_FC：电池堆电流[A]

M₁：PEMFC内的冷却液的质量[kg]

C₁：冷却液的热容量[J/kgK]

M₂：双极板的质量[kg]

C₂：双极板的热容量[J/kgK]。

在一特定实施方案中，所施加的启动电流为从0.015A/cm²/s开始的斜坡，其中最大值为0.5A/cm²。对于200cm²的电池堆，这对应于100A的电流。然而，在某些情况下，这种斜坡的应用会导致穿过燃料电池堆的电池的端子的电压的大幅下降。为了避免这种衰减及其对电池堆的工作造成的影响，在一特定实施方案中，调节所施加的电流，以确保穿过每个电池的端子的电压高于或等于0.2伏。这利用将最大电流值转换为用于控制由燃料电池堆传递的电力的单位的调节器(例如，DC-DC转化器)来实现。

在又一实施方案中，用于控制燃料电池堆的方法包括利用大气预先烘干燃料电池堆的阶段，该烘干阶段在大气温度下降至0℃以下之前发生。在一实施方案中，将该温度设定为5℃。

将泵控制为使激活时间恒定。将该激活时间设定为在所有情况下均确保冷却液设定为流动所需的最小值。这取决于泵的动力学特性和电池堆的回路中的热量损失。例如，将工作的持续时间设定为0.6秒。两个脉冲之间的泵的停顿时间可变。对于电池堆的温度模型，期望返回比前一脉冲高1℃的温度，以引起燃料电池堆的核的温度逐渐升高。此外，两个脉冲之间的时间被限制为在2秒的最短时间与12秒的最长时间之间。在另一实施方案中，泵停顿的持续时间确定为确保在两个脉冲之间穿过电池堆的电池的端子的平均电压返回至高于预定值(例如，0.6V)的值。具体地，每个脉冲造成少量仍然非常冷的冷却液的导入，从而导致电池的电压下降。

在一优选实施方案中，该系统还包括用于在关闭燃料电池堆系统时烘干离子交换膜的装置。

在一对应于200cm²的16个电池的燃料电池堆的示例性实施方案中，利用以下参数来执行基于空气的这种烘干：

-利用由压缩机吹送的大气来执行烘干。

-在正极，以每分钟15公升的流速吹送空气。

-在负极，以每分钟85公升的流速吹送空气。

-当环境温度下降至5℃以下时执行烘干；当在1kHz下测得的电池堆的阻抗达到40毫欧姆的值时，停止烘干。

-此外，优选在电池堆工作一段时间之后恰好在电池堆关闭之前，以高于或等于2.8的负极化学计量并且优选在不浸湿的情况下执行烘干。

-在这些条件下，以小于90秒的时长执行烘干。在其它条件下，例如如果化学计量预先为2，则烘干时间变为等于约7分钟。

在一优选实施方案中，该系统还包括用于测量离子交换膜的含湿量的装置。该装置例如采取以1000Hz的频率向电池堆供应电流的电流发生器的形式。然后测量穿过至少一个电池的端子的电压纹波，并且由此确定膜的阻抗。含湿量可由该阻抗推导得出。

附图说明

在通过以下附图示出的优选但非限制性的实施方案的如下描述中，本发明的其它目标和优点将清楚地显现，在所述附图中：

·图1示出了根据本发明的系统；

·图2示出了在冷却泵在冷启动阶段以连续模式激活的情况下，穿过燃料电池堆的电池的端子的电压。

·图3示出了在冷却泵在一延迟之后启动并且在冷启动阶段以脉冲模式激活的情况下，燃料电池堆内的多个温度的变化。

·图4示出了在冷却泵在一延迟之后启动并且在冷启动阶段以脉冲模式激活的情况下，穿过燃料电池堆的电池的端子的电压。

具体实施方式

图1示出了根据本发明的系统，该系统包括电化学电池堆10。该系统包括被划分为初级回路8和次级回路9的液体冷却回路。相比于现有技术中的系统，初级回路的体积被最小化，并且通过恒温阀2与次级回路隔离。

初级回路设置有冷却泵1。如上文所述，在大幅低于零的温度下启动电池堆的情况下，该泵可有利地以连续和/或脉冲模式激活。

该系统还包括：去离子过滤器4、膨胀箱5及散热器3。

小泵(贯穿说明书的整个下文也称为“微型泵”)安装于电池堆10的出口处。该小泵使得在利用最少的外部电路的情况下使电池堆内部的水量得以混合。这种构造可通过防止由于电池堆中发生的电化学反应引起的水的冻结并且通过在不大幅增加待被加热的水量的情况下防止局部热点的出现，来使电池堆的核处的温度得以均衡，从而有助于在零以下的温度下的启动。有利地，对于微型泵有用的是使其布置在尽可能靠近电池堆的地方。具体地，较大的距离将导致待被加热的水量增加和额外损失，这可能妨碍冷启动的成功。具体地，使电池堆冷启动的可能性取决于在由反应产生的水开始被排出之前，电池堆使其核的温度上升至冰点以上的能力。

图1中所示的回路还必须设置有单向阀11，以确保由微型泵6产生的所有流量均流经电池堆。图2示出了根据现有技术的方法，在控制-15℃下的冷启动期间(即，通过以连续模式操作冷却泵)，穿过燃料电池堆的电池的端子的电压变化。

观察到穿过电池组的端子的电压逐渐下降，随后是在13秒开始，穿过第一电池(曲线图上的最低曲线)的端子的电压大幅衰减，紧接着是穿过第二电池的端子的电压。

电压的这种快速下降揭示了与燃料电池堆中所产生的水的冻结有关的堵塞。从而，负面地影响电池堆的工作。

图3和图4示出了实施根据本发明的控制方法的燃料电池堆中的参数的变化。因此，这两个曲线图示出了电池堆首先在仅微型泵活动的情况下工作，然后主冷却泵以脉冲模式工作期间冷启动的变化过程。

在图3中，曲线C1示出了燃料电池堆的估计温度，曲线C2示出了冷却泵的控制设定点，而曲线C3示出了电池堆的入口处的温度。在大约65秒之后，由曲线C1示出的温度达到20℃的值。在本发明的一个实施方案中，该值对应于第一预定阈值。如曲线C2所示，然后以脉冲模式控制冷却泵或水泵。

在135秒的工作之后，电池堆的入口处的冷却液的温度(曲线C3所示)变为高于5℃。在本发明的一个实施方案中，该值对应于第二预定阈值。然后以连续模式操作冷却泵。从这时开始，冷却液连续地循环，致使燃料电池堆的入口与出口之间的冷却液温度差相当明显地快速减小，然后消失。

同时，图4示出了当实施根据本发明的方法时燃料电池堆的电池的单独的电压的相应变化。在该附图中可见，与图1中不同，燃料电池堆的第一电池保持可接受的电压电平，或者具有在冷却泵被激活时快速恢复的电压电平。该冷却泵以脉冲模式被激活。可以看出冷水的每次注入导致电压集合的下降，如图3中的纹波所示。冷却泵脉冲的频率并且由此冷却液注入的频率确定为使得在另一注入之前穿过电池的端子的电压能够有时间返回至可接受的电平。在本示例中，每六秒钟发生一次注入。

因此，根据本发明的系统的使用使得能够在对冷却回路中所包含的液体进行加热的同时，使得贯穿整个启动阶段穿过燃料电池堆的电池的端子的电压保持在可接受的电压，并且尽管在冷却泵延迟激活，也能确保电池堆内的温度的良好一致性水平。

Claims (4)

1.一种燃料电池堆系统，其包括：

-电化学电池堆，电化学电池由双极板隔开，并且每个电化学电池包括正极、负极以及离子交换膜；

-燃料气体供给回路和氧化剂气体供给回路；以及

-允许冷却液循环的冷却回路，该冷却回路包括次级回路和尺寸比所述次级回路更小的初级回路，各回路通过恒温阀彼此隔开；

-微型泵，该微型泵安装于电池堆的出口处并且允许电池堆内的水量被混合，

并且该系统还包括：用于确定电池堆的核的内部温度的装置、用于确定进入电池堆之前的冷却液的温度的装置、以及冷却泵，所述冷却泵安装于初级回路中用于激活初级回路；

当电池堆的核的内部温度高于第一预定阈值并且进入电池堆之前的冷却液的温度低于第二预定阈值时，冷却泵以脉冲模式工作；当进入电池堆之前的冷却液的温度上升至第二预定阈值以上时，冷却泵以连续模式工作。

2.根据权利要求1所述的燃料电池堆系统，其中，所述冷却泵为仅以连续模式激活的变速冷却泵。

3.根据前述权利要求中的一项所述的燃料电池堆系统，还包括用于在关闭燃料电池堆系统时烘干离子交换膜的装置。

4.根据权利要求1所述的燃料电池堆系统，还包括用于测量离子交换膜的含湿量的装置。

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