CN108808043A - 在具有堆冷却剂旁通的燃料电池堆有效区域出口处的虚拟温度传感器建模与使用 - Google Patents

Abstract

燃料电池温度测量系统包括以总冷却剂流率和初始冷却剂温度提供冷却剂的冷却剂源。流场板限定了冷却剂流过的外围流动通道和有效区域流动通道。该流场板适于定位在各个燃料电池之间的燃料电池堆中。提供给公共输入的总冷却剂流分成流过外围流动通道的旁通流和流过有效区域流动通道的有效区域流。旁通流与有效区域流结合以从具有输出冷却剂温度的公共输出流出。燃料电池温度测量系统包括温度传感器，其用于根据公共输出来测量输出冷却剂温度。最后，温度估计器根据输出冷却剂温度来估计有效区域冷却剂温度。

Description

在具有堆冷却剂旁通的燃料电池堆有效区域出口处的虚拟温 度传感器建模与使用

技术领域

在至少一个方面，本发明涉及用于确定和控制燃料电池堆温度的方法和系统，并且具体涉及不能直接测量的靠近燃料电池有效区域的冷却剂的温度。

背景技术

燃料电池在许多应用中用作电源。特别地，燃料电池被建议用于汽车中以取代内燃机。常用的燃料电池使用固体聚合物电解质膜或质子交换膜(“PEM”)来的设计为阳极和阴极之间提供离子传输。

在质子交换膜型燃料电池中，氢作为燃料供给阳极，氧作为氧化剂供给阴极。氧气可以是纯净形式(氧气)或存在于空气(氧气和氮气的混合物)中。PEM燃料电池通常具有膜电极组件，在其中，固体聚合物膜(即离子传导膜)在一个面上具有阳极催化剂，而在相反面上具有阴极催化剂。典型的PEM燃料电池的阳极和阴极层由多孔导电材料形成，例如织造石墨，石墨化片或碳纸，以使燃料能够分散在面对燃料供应电极的膜的表面上。每个电极具有负载在碳颗粒上的细分的催化剂颗粒(例如铂颗粒)以促进在阳极处的氢的氧化和在阴极处的氧的还原。质子从阳极流过离子导电聚合物膜流到阴极，在阴极处与氧结合形成水，水从电池排出。膜电极组件夹在一对多孔气体扩散层之间，该扩散层又夹在一对无孔的导电流场板之间。这些板用作阳极和阴极的集电器，并且包含在其中形成的适当的通道和开口，用于将液体冷却剂和燃料电池的气态反应物分布在相应的阳极和阴极催化剂的表面上。为了有效地产生电力，PEM燃料电池的聚合物电解质膜必须是薄的，化学稳定的，质子传导的，不导电的和不透气的。在典型的应用中，燃料电池以许多单独燃料电池堆的阵列被提供，以提供高水平的电力。

在一些流场设计中，具有用于在外围冷却密封在板之间的燃料电池的液体冷却剂旁通流。在这些设计中，冷却剂温度控制由于流经流场中的外围通道的冷却剂与靠近燃料电池有效区域的内部通道之间的不同温度而变得复杂。在一些早期设计中，没有冷却剂旁通流，因此控制堆温度是相对简单的。

因此，需要改进的用于控制燃料电池堆温度的方法和系统。

发明内容

通过在至少一个实施例中提供燃料电池温度测量系统，本发明解决现有技术的一个或多个问题。燃料电池测量系统包括冷却剂源，其以总冷却剂流率和初始冷却剂温度提供冷却剂。流场板限定冷却剂流动通过的冷却剂流动通道。冷却剂流动通道包括外围流动通道和有效区域流动通道。外围流动通道和有效区域流动通道从公共输入分流并合流到公共输出。该流场板适于定位在各个燃料电池之间的燃料电池堆中。具有总冷却剂流率的提供给公共输入的输入液体冷却剂分成旁通流和有效区域流，该旁通流以旁通冷却剂流率和旁通冷却剂温度流过外围流动通道，有效区域流以有效区域流率和有效区域温度流过有效区域流动通道。旁通流与有效区域流相结合以从作为输出冷却剂的具有输出冷却剂温度的公共输出流出。燃料电池温度测量系统包括温度传感器，其用于根据公共输出来测量输出冷却剂温度。最后，温度估计器根据输出冷却剂温度来估计有效区域冷却剂温度。

附图说明

图1是可结合温度测量系统的燃料电池堆的示意性横截面；

图2是用于图1的燃料电池堆中的燃料电池的示意性横截面；

图3提供使用能量平衡模型的堆有效区域温度的计算流体动力学图；

图4是燃料电池温度测量系统的示意性横截面；

图5是示出用于控制燃料电池堆有效区域温度的方法的流程图；

图6提供了基于有效区域温度的温度控制模拟数据；及

图7提供了示出实施压力估计方法的流程图。

具体实施方式

现在将对本发明目前优选的构成、实施例和方法进行详细参考，其构成当前为发明人所知的实践本发明的最佳方式。这些图示不一定按比例绘制。然而，应当理解所公开的实施方式仅是可以通过各种和替代形式实现的本发明的各种实施例。因此，在此公开的特定细节不应被解释为限制性的，而是仅作为本发明的任何方面的代表性基础和/或作为教导本领域技术人员如何实践本发明的代表性基础。

除了实施例或另有明确说明之外，本说明书中表示材料的量或反应和/或使用条件的所有数值量在描述本发明的最宽范围时应被理解为由词语“大约”修饰。所述数值界限内的实践通常是优选的。同样，除非明确作出相反指示：所有R基团(例如R_i，其中i是整数)包括烷基、低级烷基、C_1-6烷基、C_6-10芳基或C_6-10杂芳基；单个字母(例如，“n”或“o”)是1、2、3、4或5；百分比、“份数”和比值按重量计；术语“聚合物”包括“低聚物”、“共聚物”、“三元共聚物”等；除非另有指示，否则提供给任何聚合物的分子量是指重均分子量；基于给定的目的，结合本发明将一组或一类材料描述为合适的或优选的意味着该组或该类的成员中的任意两个或更多个的混合物同等地适合或优选；化学术语中的成分的描述是指在添加到说明书中指定的任何组合时的成分，并且不一定排除混合物成分之间的化学相互作用；首字母缩略词或其他缩写词的第一个定义适用于本文所有后续相同缩写词的使用，并在加以必要的变通后适用于最初定义的缩写词的正常语法变体；并且，除非明确作出相反指示，否则性质的测量由与之前或以后参考的相同性质的相同技术来确定。

还应当理解，本发明不限于下文所描述的具体实施例和方法，因为具体的组件和/或条件当然可以变化。此外，这里使用的术语仅用于描述本发明的特定实施例的目的，并非旨在以任何方式加以限制。

还必须注意到，正如应用于本说明书和附加权利要求书中的那样，单数形式“一”、“一个”和“该”包含复数指代物，除非上下文明确指示并非如此。例如，以单数形式引用部件旨在包括多个部件。

术语“包含”与“包括”，“具有”，“含有”或“由......表征”是同义词。这些术语是包含性的和开放式的，并且不排除另外的未列举的元素或方法步骤。

短语“由......组成”排除权利要求中未指定的任何元素，步骤或成分。当该短语出现在权利要求主体的一个条款中，而不是紧接在序言后面时，它仅限制该条款中提出的元素，其他元素没有被排除在作为整体的权利要求之外。

短语“基本上由...组成”将权利要求的范围限制为指定的材料或步骤，以及不会实质影响所要求保护的主题的基本和新颖特征的元素。

关于术语“包含”，“由......组成”和“基本上由...组成”，在本文使用这三个术语中的一个的情况下，当前公开和所要保护的主题可以使用其他两个术语中的任一个。

参照图1和图2，本发明提供了结合温度测量系统的燃料电池和燃料电池堆的示意图。图1是可结合温度测量系统的燃料电池堆的示意性横截面。图2是用于图1的燃料电池堆中的燃料电池的示意性横截面。燃料电池堆10包括多个质子交换膜(PEM)燃料电池12。典型地，燃料电池堆可以包括10到30个或更多个单独的燃料电池。燃料气体(例如氢气)，含氧气体(例如空气，氧气等)和冷却剂(例如水)被提供在顶盖段14和16处。燃料电池12包括设置在阴极催化剂层24和阳极催化剂层26之间的聚合物离子传导膜22。燃料电池12还包括流场28、30，气体通道32和34以及气体扩散层36和38。在某细化方案中，流场28、30是双极板，每个双极板具有阳极侧和阴极侧。特别地，流场28、30通过组合阳极流场板和阴极流场板而形成。冷却剂通过冷却通道40供应。在燃料电池的操作期间，诸如氢气的燃料被供应到阳极侧的流场板28，并且诸如氧气之类的氧化剂被供应到阴极侧的流场板30。由阳极催化剂层26产生的氢离子通过聚合物离子传导膜22迁移，并在阴极催化剂层24反应以形成水。该电化学过程通过连接到流场板28和30的负载产生电流。

参照图3，提供了使用能量平衡模型的堆有效区域温度的计算流体动力学图。图3表明，燃料电池的有效区域温度比下游冷却剂出口温度高5-6℃。以下给出的温度测量系统直接解决了此温度升高带来的潜在的有害影响。当前的流场设计在板上具有大约15％至30％的冷却剂旁通流的金属压条密封件，并且该旁通导致有效区域出口温度超过T167处的下游冷却剂出口温度。

参照图4，提供了燃料电池温度测量系统的示意性横截面。燃料电池温度测量系统40包括冷却剂源42，其以总冷却剂流率和初始冷却剂温度提供液体冷却剂。温度传感器44测量初始冷却剂温度。流场板48限定了冷却剂流动通道50、52，如上文关于图1和图2所阐释的液体冷却剂通过所述冷却剂流动通道50、52。外围流动通道50共同代表围绕流场48的外围流动的冷却通道。有效区域流动通道52共同代表在发生电化学发电的燃料电池的有效区域上方流动的冷却通道。外围流动通道50从公共输入56分流并合流到公共输出58。如图1和图2所示，流场板48典型地适于定位在各个燃料电池之间的燃料电池堆中。初始冷却剂物流58具有总冷却剂流m₁和温度T₁，并且被提供给公共输入56，在公共输入56处分成旁通流路62和有效区域流路64，该旁通流路62以旁通冷却剂流率m₂和旁通冷却剂温度T₂流过外围流动通道50，有效区域流路64以有效区域流率m₃和有效区域温度T₃流过有效区域流动通道52。旁通流与有效区域流组合以作为再组合冷却剂物流66从公共输出58流出，该再组合冷却剂物流66具有组合流率m₁和输出冷却剂温度T₃。应当注意，由于流动连续性，初始冷却剂物流60的流量和再组合冷却剂物流66的流量可以被视为相等。温度传感器68根据公共输出58来测量输出冷却剂温度T₃。如下文更详细所述，温度估计器70根据输出冷却剂温度T₃估计有效区域冷却剂温度。温度估计器70可以是计算机处理控制器或比例积分微分控制器(PID)。如以下详述，在某细化方案中，温度传感器68是温度控制器72的一部分，如果输出冷却剂温度T₃低于预定的设置点T_sp，则温度控制器72能够控制输出冷却剂温度T₃。通过反馈回路76控制/调节冷却剂的温度(例如，有效区域的冷却剂温度)，所述反馈回路76用于控制诸如冷却剂混合阀78和/或散热器风扇80之类的温度调节执行器以调节液体冷却剂的温度。

在一个变型中，燃料电池温度测量系统40还包括压力传感器76，用于测量公共输出58处或之后的液体冷却剂的压力。根据以下所述的方法，压力估计器78用于估计输入液体冷却剂与输出液体冷却剂之间的压力差。压力估计器78可以是计算机处理控制器或PID。

通常，温度估计器70通过求解等式1至4来确定有效区域冷却剂温度。有效区域冷却剂温度是当冷却剂邻近燃料电池的有效区域(即，发生电化学反应的燃料电池催化剂层)时冷却剂的温度。在这方面，采用能量平衡模型，假设冷却剂入口流率和温度分别为m₁和T₁，堆冷却剂旁通流率和温度分别为m₂和T₁，非旁通回路流率和温度分别为m₃和T₂。应用能量平衡模型得到可用于确定有效区域温度的等式：

m₁＝m₂+m₃ 等式(1)

m₂×C_p×(T₃-T₁)＝m₃×C_p×(T₂-T₃) 等式(2)

冷却液旁通比取决于总冷却液流率(m₁)和冷却液入口温度(T₁)：

结合等式(1)、(2)和(3)，有效区域温度为：

其中T₃是输出温度，根据冷却剂总流率和冷却剂入口温度，从查找表读取值。其中Q是燃料电池反应的废热(kW)，1.23V是电池的热力学平衡电位，V_cell是工作电池电压，j是工作电流密度(A/cm²)，A_cell是电池的电化学有效区域(cm²)。

一些当前的燃料电池温度控制算法使用基于堆冷却剂出口温度反馈的PID控制器(例如，图4中的温度控制器)。但是，如图3中的计算流体动力学数据所示，堆冷却剂旁通可能导致局部堆有效区域温度比温度传感器测量值高出10℃。在低功率或中等功率条件下，该偏差不会导致有效区域过热或干燥。然而，在高功率范围或热偏移情况下，基于输出流量温度反馈的温度控制会导致堆有效区域严重过热或变干，从而降低燃料电池堆寿命。图4的系统提供了一种处理此现象的策略，该策略同时具有在输出冷却剂温度T₃和作为反馈信号的估计的有效区域温度之间切换的灵活性。在T₃低于作为可校准阈值的预定的设定点温度T_sp时的低功率或中等功率范围内，通常基于T₃控制温度。在T₃大于预定的设定点温度T_sp的高功率或偏移情况下，将温度切换到由图4的系统确定的有效区域温度。在某细化方案中，预定的设定点温度为80℃至100℃(例如，约90℃)。通过做出这种改变，冷却剂泵和冷却剂混合阀将被控制到更高的温度，该温度更准确地表示燃料电池堆正在经历的情况，这也有利于堆的耐久性。在有效区域出口温度用于相对湿度估计的同时，此温度控制是有效的。与温度控制类似，热偏移功率限制是使用活动区域温度将有利的另一个实例。与温度控制类似，限制热偏移功率是另一种情况，即使用有效区域温度是有利的。这是堆冷却剂出口温度和有效区域温度之间最大的差异。通过使用有效区域温度，功率限制的开始时间比使用堆冷却剂出口温度的时间早。功率限制不仅降低高风险事件，如短路，而且也减少了对燃料电池堆的损害，延长堆的耐久性。

参照图5，提供了说明用于控制燃料电池堆有效区域温度的方法的流程图。在框100中，启动该方法。框102示出了关于输出温度T₃是否小于设定点温度的测定。如果输出温度T₃低于设定点温度T_sp，则温度控制器72照常用于控制温度(框104)。然后系统继续确定是否请求燃料电池系统关闭(框106)。如果输出温度T₃等于或高于设定点温度T_sp，则如上所述的有效区域估计方法被用来照常控制温度(框108)。当使用有效区域估计方法时，确定是否存在热偏移(框110)。通过车辆的其他输入，包括燃料电池输出功率、环境温度、车辆速度以及堆出口处的燃料电池冷却剂温度来确定偏移。如果存在热偏移，则基于有效区域温度限制功率(框112)。然后系统继续确定是否请求燃料电池系统关闭(框106)。在没有热偏移情况下，如果正在请求关闭燃料电池系统，则该系统直接执行测定步骤(框106)。在各情况下，如果没有请求关闭燃料电池系统，则系统继续确定液体输出温度T₃是否小于设定点温度(框102)。如果请求关闭，则关闭燃料电池系统(框114)。图6提供了基于有效区域温度的温度控制模拟数据。在流量与冷却器旁通流量(紫色)混合后，其中偏差为5℃，由于有效区域温度(深蓝色)与检测到的堆出口温度之间的偏移，图6显示了控制有效区域温度的必要性。这可能导致堆中湿度有显著性差异，对燃料电池堆的寿命产生不利影响。

在一个变型中，基于有效区域温度和堆冷却剂旁通估计，燃料电池堆温度测量系统还允许冷却剂压降估计和冷却剂泄漏诊断。在这方面，总冷却剂流率取决于泵的特性，并且是基于泵曲线的泵速度的函数。利用估计的堆冷却剂旁通，通过堆的冷却剂流率为：

堆冷却剂压降等于通过旁通回路的冷却剂压降，堆冷却剂压降可以从下面的等式中得出

是堆冷却剂旁通流率，r_bypass是旁通比，dV_total是进入燃料电池堆的总冷却剂流量，是冷却剂泵的转速(因此，是函数)，是冷却剂回路中的堆压降，是堆旁通流的层流系数，是根据堆冷却剂入口温度反馈的冷却剂的动态粘度，是堆旁通流的湍流系数，是根据堆冷却剂入口温度的冷却剂的密度。公式(6)给出了估计堆冷却剂回路中压降的公式，并可用于与标称堆冷却剂压降阈值进行比较。如果估计出大于阈值的压降，则表示堆冷却剂出现泄漏。图7提供了示出实施压力估计方法的流程图。在框120中，系统开始冷却剂压降估计。系统确定冷却剂罐液位传感器是否正在读取冷却剂液位(框122)。如果液位不高，则系统返回到开始。如果液位为低，则系统利用等式5和6根据冷却剂流量特性来估计堆冷却剂旁通比(框124)和堆冷却剂压降(框126)。确定估计的压降是否高于阈值压力值(框128)。如果压降不高于预定的阈值压力值，则系统返回到开始。如果压降高于阈值压力值，则系统进入可选的延迟回路130，其中计数器递增，直到其超过预定的计数器阈值。系统然后继续运行冷却剂损失诊断并重置计数器(框132)。如果没有确认冷却剂损失，则系统继续确定冷却剂液位是否高(框122)。读取冷却剂液位传感器后，整个控制回路再次开始。

尽管上面描述了示例实施例，这些实施例并不意图描述本发明的所有可能形式。相反，在说明书中所用的措词都是说明而不是限制的措词，并且应该理解，在不脱离本发明的精神和范围情况下，可以进行各种改变。此外，多个执行实施例的特征可以组合以形成本发明进一步的实施例。

Claims (10)

1.一种燃料电池温度测量系统，包括：

冷却剂源，其以总冷却剂流率和初始冷却剂温度提供液体冷却剂；

限定冷却剂流动通道的流场板，所述液体冷却剂通过所述冷却剂流动通道流动，所述冷却剂流动通道包括外围流动通道和有效区域流动通道，所述外围流动通道和所述有效区域流动通道从公共输入分流并合流到公共输出，所述流场板适于定位在各燃料电池之间的燃料电池堆中，其中具有总冷却剂流率的提供给所述公共输入的输入液体冷却剂分成旁通流和有效区域流，所述旁通流以旁路冷却剂流率和旁路冷却剂温度流过所述外围流动通道，所述有效区域流以有效区域流率和有效区域温度流过所述有效区域流动通道，所述旁路流与所述有效区域流相结合以从作为输出液体冷却剂、具有输出冷却剂温度的所述公共输出流出；

温度传感器，其根据所述公共输出来测量所述输出冷却剂温度；以及

温度估计器，其根据所述输出冷却剂温度来估计有效区域冷却剂温度。

2.根据权利要求1所述的燃料电池温度测量系统，其中所述温度估计器通过求解等式1至4来确定所述有效区域冷却剂温度：

m₁＝m₂+m₃ (1)

m₂×C_p×(T₃-T₁)＝m₃×C_p×(T₂-T₃) (2)

其中，

m₁是总冷却剂流率；

m₂是旁通冷却剂流量；

m₃是有效区域冷却剂流量；

C_p是所述液体冷却剂的所述热容量；

T₁是所述旁通冷却剂温度；

T₂是所述有效区域温度；

T₃是所述输出冷却剂温度；

T_{Active Area}是所述有效区域的温度；以及

Cool_Bypass是所述旁通冷却剂流率与由冷却剂总流率和冷却剂入口温度预定的所述总冷却剂流率的比率。

3.根据权利要求2所述的燃料电池温度测量系统，还包括温度控制器，所述温度控制器在所述输出冷却剂温度小于预定设定点温度时控制液体冷却剂温度。

4.根据权利要求2所述的燃料电池温度测量系统，还包括用于控制液体冷却剂温度的温度调节执行器，所述温度调节执行器与温度控制器电连通。

5.根据权利要求2所述的燃料电池温度测量系统，进一步，冷却剂液位传感器确定冷却剂液位是否高于预定冷却液位。

6.根据权利要求5所述的燃料电池温度测量系统，还包括测量所述液体冷却剂压力的压力传感器和估计所述输入液体冷却剂与所述输出液体冷却剂之间压力差的压差估计器。

7.一种用于测量燃料电池的温度的方法，所述方法包括：

以总冷却剂流率和初始冷却剂温度向燃料电池流场板提供液体冷却剂，所述燃料电池流场板限定冷却剂流动通道，所述液体冷却剂通过所述冷却剂流动通道流动，所述冷却剂流动通道包括外围流动通道和有效区域流动通道，所述外围流动通道和所述有效区域流动通道从公共输入分流并合流到公共输出，所述燃料电池流场板适于定位在各燃料电池之间的燃料电池堆中，其中具有总冷却剂流率的提供给所述公共输入的输入液体冷却剂分成旁通流和有效区域流，所述旁通流以旁路冷却剂流率和旁路冷却剂温度流过所述外围流动通道，所述有效区域流以有效区域流率和有效区域温度流过所述有效区域流动通道，所述旁路流与所述有效区域流相结合以从作为输出液体冷却剂、具有输出冷却剂温度的所述公共输出流出；

根据所述公共输出来测量所述输出冷却剂温度；以及

根据所述输出冷却剂温度来估计有效区域冷却剂温度。

8.根据权利要求7所述的方法，其中所述有效区域冷却剂温度通过求解等式1至4来估计：

m₁＝m₂+m₃ (1)

m₂×C_p×(T₃-T₁)＝m₃×C_p×(T₂-T₃) (2)

其中：

m₁是总冷却剂流率；

m₂是旁路冷却剂流率；

m₃是有效区域冷却剂流率；

C_p是所述液体冷却剂的所述热容量；

T₁是所述旁路冷却液温度；

T₂是所述有效区域温度；

T₃是所述输出冷却剂温度；

T_{Active Area}是所述有效区域的温度；以及

Cool_Bypass是所述旁通冷却剂流率与由冷却剂总流率和冷却剂入口温度预定的所述总冷却剂流率的比率。

9.根据权利要求8所述的方法，其中如果所述输出冷却剂温度小于预定设定点温度，则温度控制器控制液体冷却剂温度，并且，其中如果所述输出冷却剂温度等于或大于所述预定设定点温度，则使用温度估计器来根据所述输出冷却剂温度估计所述有效区域冷却剂温度。

10.根据权利要求8所述的方法，进一步包括确定冷却剂液位是否高于预定冷却液位，测量所述输出液体冷却剂的输出冷却剂压力，以及根据等式5和6估计冷却剂压力差：

其中：

是所述堆冷却剂旁通流率，r_bypass是所述旁通比，dV_total是进入所述燃料电池堆的所述总冷却剂流量，是所述冷却剂泵的转速，是所述冷却剂回路中的所述堆压降，是所述堆旁通流的所述层流系数，是根据堆冷却剂入口温度反馈的所述冷却剂的所述动态粘度，是所述堆旁通流的湍流系数，是根据堆冷却剂入口温度的所述冷却剂的密度。