專利名稱：用于在具有變?nèi)剂铣煞值娜剂仙线\行的燃料電池系統(tǒng)的氣體流量控制組件的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及燃料電池以及尤其涉及用于燃料電池系統(tǒng)的氣體流 量控制組件。
背景技術：
燃料電池是一種裝置，它借助于電化學反應直接將存儲于碳氫化 合物燃料中的化學能轉(zhuǎn)換成電能。 一般來說，燃料電池包括通過電解 液隔離開的陽極和陰極，電解液起到導通帶電離子的作用。為了產(chǎn)生 可用的功率電平，許多單個燃料電池與電池之間的導電分隔板被串聯(lián) 地疊加在一起。燃料電池的運行是通過將反應燃料氣體通過陽極，同時將氧化氣 體通過陰極而實現(xiàn)的。燃料電池系統(tǒng)的電輸出部分依賴于燃料氣體和 氧化氣體分別被供應給和傳輸通過陽極和陰極的速率，以及燃料的能 含量。因此，為了優(yōu)化燃料電池的性能并從燃料電池系統(tǒng)獲得理想的 電輸出，需要準確的控制提供給電池的燃料的流速。傳統(tǒng)的燃料電池系統(tǒng)通常采用質(zhì)量流量控制器，根據(jù)燃料電池的 功率輸出，控制流向燃料電池陽極的燃料氣體的流速。傳統(tǒng)的系統(tǒng)也 采用在線燃料成分分析器測定提供給燃料電池系統(tǒng)的燃料的成分。尤 其是，基于成分分析器測定的燃料成分和電池的功率輸出，結(jié)合在線 燃料成分分析器，質(zhì)量流量控制器已經(jīng)被用于控制輸送給燃料電池的 燃料的量。可以理解，控制流向陽極的燃料流速的上述傳統(tǒng)方法需要使用昂 貴的和復雜的設備。此外，當被分析的燃料具有高水分含量時以及在 分析器的延長操作之后，在線燃料成分分析器的可靠性明顯下降。因 此，通常需要對分析器進行在校準以繼續(xù)準確地測定燃料含量。因此，
需要準確可靠不需要昂貴設備的用于控制流向陽極的燃料流量的裝 置。因此，本發(fā)明的目的是提供用于控制燃料流量的氣體流量控制組 件，它在操作的延長期間具有增進的可靠性，并且不受燃料中水分水 平的影響。本發(fā)明進一步的目的是提供一種氣體流量控制組件，它能夠基于 檢測到的燃料成分的變化，以更高的準確性調(diào)節(jié)燃料流速。 發(fā)明內(nèi)容根據(jù)本發(fā)明的原理，在用于燃料電池系統(tǒng)的氣體流量控制組件中 實現(xiàn)了以上和其他目的，包括基于離開燃料電池系統(tǒng)陽極一側(cè)的廢氣 中的含量變化，調(diào)節(jié)流向該系統(tǒng)陰極一側(cè)的空氣流量的空氣流量控制 組件，和基于通過空氣流量控制組件對空氣流量的調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)流向燃 料電池系統(tǒng)陽極一側(cè)的燃料流量的燃料流量控制組件。燃料電池系統(tǒng) 包括適應于利用含有未反應燃料的陽極廢氣預熱空氣的氧化組件，空 氣流量控制組件調(diào)節(jié)空氣流量，以便將氧化組件內(nèi)的空氣預熱到預定 溫度?？諝饬髁靠刂平M件包括用于調(diào)節(jié)空氣流量設置點的空氣平穩(wěn)控 制器和用于保持空氣流速與調(diào)節(jié)后的系統(tǒng)空氣流量設置點相等的空 氣流量控制器，空氣平穩(wěn)控制器將預熱空氣的溫度與預定溫度進行比 較以確定調(diào)節(jié)值并基于該調(diào)節(jié)值調(diào)節(jié)空氣流量設置點。空氣流量設置點是基于DC電流、理想的燃料流量、期望的燃料熱值和環(huán)境溫度的 預定空氣流速。如果預熱空氣的溫度小于預定溫度，空氣平穩(wěn)控制器 降低調(diào)節(jié)值，如果預熱空氣的溫度大于預定溫度，則提高調(diào)節(jié)值，調(diào) 節(jié)值與空氣流量調(diào)節(jié)成正比。燃料流量控制組件包括用于調(diào)節(jié)系統(tǒng)燃料流量設置點的燃料平 穩(wěn)控制器和測量并將燃料流速保持在調(diào)節(jié)后的燃料流量設置點的燃 料流量控制器。該燃料流量設置點是基于DC電流、超出最低要求的 燃料流量的理想過盈，以及期望的燃料熱值的預定燃料流速。燃料平 穩(wěn)控制器接收由空氣平穩(wěn)控制器計算所得的調(diào)節(jié)值并調(diào)制燃料流量 設置點以將空氣平穩(wěn)控制器調(diào)節(jié)值保持在預定范圍內(nèi)。尤其是，當溫 控制器分別以設置量，例如1，步進地 增加和降低調(diào)節(jié)值以增加和降低預熱空氣的溫度，當溫度小于預定溫 度時，分別以設置量，例如1，步進地降低和增加調(diào)節(jié)值以降低和增 加預熱空氣的溫度，燃料平穩(wěn)控制器調(diào)節(jié)燃料流量設置點，以將空氣平穩(wěn)控制器調(diào)節(jié)值保持在0和負(-)設置量例如1之間。還披露了采用氣體流量控制組件的燃料電池系統(tǒng)。


結(jié)合附圖閱讀下列詳細描述，本發(fā)明以上和其他的特征和方面會變得更加顯而易見，其中圖1顯示根據(jù)本發(fā)明的原理采用氣體流量調(diào)節(jié)組件的燃料電池系統(tǒng)；圖2顯示圖1氣體流量調(diào)節(jié)組件的空氣平穩(wěn)控制器的操作流程圖；圖3顯示圖1氣體流量調(diào)節(jié)組件的燃料平穩(wěn)控制器的操作流程圖；圖4顯示采用具有和沒有燃料平穩(wěn)控制器的氣體流量調(diào)節(jié)組件的系統(tǒng)的性能數(shù)據(jù)的圖。
具體實施方式
圖1顯示根據(jù)本發(fā)明的原理采用氣體流量控制組件101的燃料電 池系統(tǒng)100。氣體流量控制組件101包括燃料流量控制器124(可以包 括燃料流量計和自動控制閥)、空氣流量控制器126(可以包括空氣流 量計和自動控制閥)、空氣平穩(wěn)(air trim)控制器128和燃料平穩(wěn)(fuel trim)控制器130，所有這些分別都用于控制流向系統(tǒng)100的燃料電 池102的陽極一側(cè)104和陰極一側(cè)106的燃料和空氣流量。燃料電池 102的陽極和陰極側(cè)依次被電解液108分隔開。燃料電池系統(tǒng)也包括用于向燃料電池102的陽極一側(cè)104提供燃 料氣體的燃料供給110、用于濕化燃料氣體的供水114、用于向燃料 電池102的陰極一側(cè)106提供氧化劑氣體的空氣供給116和陽極廢氣 氧化器118。燃料處理組件120提供燃料清洗，熱交換器122在燃料
進入燃料電池102的陽極一側(cè)104之前濕化并預熱燃料。在系統(tǒng)100中，由供給110提供的燃料以燃料平穩(wěn)控制器130 測定的流速被提供給燃料處理組件120,并被流量控制組件101的燃 料流量控制器124控制。燃料處理組件120清洗并進一步處理燃料， 使得其適合用于燃料電池陽極104。處理組件120可以包括脫硫單元。 在進入燃料電池陽極104之前，被處理過的燃料首先通過熱交換器122 被耦合，在這里燃料與由供水114提供的水混合，并被預熱到300。C 的溫度。熱交換器122也可以包括預成型單元和脫氧單元。然后，經(jīng) 濕化和預熱的燃料被輸送給燃料電池陽極104，在這里燃料經(jīng)過電化 學反應產(chǎn)生電輸出。包含未消耗的燃料的陽極廢氣被從陽極104輸送給陽極廢氣氧 化器118。在空氣經(jīng)空氣流量控制器126被控制到由空氣平穩(wěn)控制器 128調(diào)節(jié)的空氣流量設置點后，陽極廢氣氧化器也接收由空氣供給116 提供的空氣。在陽極廢氣氧化器118內(nèi)，將空氣與陽極廢氣混合并燃 燒產(chǎn)生加熱的空氣或氧化劑氣體和二氧化碳。預熱的氧化劑氣體的溫度取決于存在于陽極廢氣內(nèi)的未反應燃 料的量以及提供給氧化器的空氣的空氣流速。可以理解，陽極廢氣中 未反應燃料的量部分依賴于燃料流速和燃料熱值，或由燃燒燃料產(chǎn)生 的能量，其本身取決于燃料含量的變化。離開氧化器118的加熱的氧化劑氣體隨后被輸送給燃料電池102 的陰極一側(cè)入口 106a。貧化的氧化劑氣體通過陰極出口 106b離開陰 極106，并流過熱交換器122，在這里來自廢氧化劑氣體的熱量被傳 遞以預熱燃料和水的混合物。在廢氧化劑氣體離開熱交換器122后殘 留在其內(nèi)的熱量可以用于各種功能，包括蒸汽形成或空間加熱。如上所述以及圖1所示，來自供給110的燃料的燃料流速受燃料 流量控制器124的控制，燃料流量控制器接收經(jīng)氣體流量控制組件101 的燃料平穩(wěn)控制器130調(diào)制的燃料流量設置點，而來自供給116的空 氣的空氣流速被空氣流量控制器126控制到由組件101的空氣平穩(wěn)控 制器128測定的設置點。
尤其是，燃料氣體由燃料供給110以預定流速提供給系統(tǒng)100， 該預定流速是燃料電池102的最優(yōu)操作和電輸出所需的優(yōu)選燃料流 速。在此處描述的說明性例子中，燃料流速超過產(chǎn)生電輸出所消耗于 燃料電池102的陽極104內(nèi)的量的大約40% 。過量的燃料流量導致未反應的燃料存在于陽極廢氣中，該陽極廢 氣隨后在氧化器118中用于將空氣燃燒并預熱到所需溫度。預定的燃 料流速是基于系統(tǒng)100的理想電輸出和由燃料供給110提供的燃料氣 體的熱值或氫含量而測定的。燃料流量控制器124(可以包括熱質(zhì)燃料 流量計)測量來自供給110的燃料流速并基于燃料成分和燃料熱值的 變化部分地校正流速，并且將燃料流速控制到上述預定的燃料流量i殳 置點。在熱值或?qū)嶋H受控燃料流速不同于期望值的情況下，利用以下更 加詳細描述的自動燃料流量調(diào)節(jié)邏輯，基于源自空氣平穩(wěn)控制器126 的輸入的燃料平穩(wěn)控制器130，將調(diào)節(jié)預定的燃料流量設置點。同樣如圖1所示及以上所述，空氣流量控制器126將源自空氣供 給116的空氣的空氣流速控制到由空氣平穩(wěn)控制器128調(diào)節(jié)的空氣流 量設置點。空氣平穩(wěn)控制器128調(diào)制預定的空氣流速設置點，該空氣 流速設置點是基于由空氣供給116提供的空氣的理想電輸出和溫度而 測定的。根據(jù)本發(fā)明，空氣平穩(wěn)控制器128調(diào)節(jié)預定的空氣流量設置點， 以保持氧化劑氣體在氧化器118內(nèi)被預熱，并以預定的或設置點溫度 TSP被提供給陰極入口 106a。如以下更詳細地描述，空氣平穩(wěn)控制器 128將進入陰極入口 106a的氧化劑氣體的溫度與設置點溫度TSP進 行比較，并計算調(diào)節(jié)或空氣平穩(wěn)值，隨后基于計算后的空氣平穩(wěn)值調(diào) 節(jié)空氣流速設置點。如果經(jīng)空氣平穩(wěn)控制器128計算的空氣平穩(wěn)值為 零，空氣平穩(wěn)控制器128不對空氣流速^1置點進行任何修改。如果計 算得到的空氣平穩(wěn)值是正值，那么空氣平穩(wěn)控制器128以與空氣平穩(wěn) 值成比例的量提高空氣流速設置點，如果空氣平穩(wěn)值是負值，空氣平 穩(wěn)控制器128以與空氣平穩(wěn)值成比例的量降低空氣流速設置點。
更具體而言，在圖2所示的流程圖中更加詳細說明了空氣平穩(wěn)控 制器128的操作。如所示，在第一步驟S1中，控制器128測量進入 陰極入口 106a的氧化劑氣體的溫度。在接下來的步驟S2中，空氣 平穩(wěn)控制器128將在笫一步驟Sl中得到的氧化劑氣體的溫度與設置 點溫度TSP進行比較。如上所述，經(jīng)氧化器118預熱的氧化劑氣體的 溫度取決于空氣流速和存在陽極廢氣中的未反應燃料的量。設置點溫 度TSP是當陽極廢氣具有最佳的燃料含量且空氣流量處于由空氣平 穩(wěn)控制器128測定的未調(diào)制的恒定設置點值時設定的預定溫度。更具體而言，陽極廢氣中的燃料含量與燃料的熱值、基于燃料最 高期望熱值而設定的預定燃料流速直接相關，在這種情況下，當提供 給系統(tǒng)101的燃料具有最高的期望熱值時，陽極廢氣中的燃料含量是 最佳的。在系統(tǒng)運行過程中，燃料的含量偏離最佳含量，結(jié)果，經(jīng)氧 化器118預熱的氧化劑氣體的溫度不同于設置點溫度TSP。當上述燃 料含量變化發(fā)生時，可以通過調(diào)節(jié)空氣流量、燃料流量或者同時調(diào)節(jié)， 將加熱的氧化劑氣體的溫度保持在設置點溫度TSP。尤其是，當陽極廢氣中的燃料含量小于最佳含量且陰極入口溫度 低于設置點溫度TSP，可以通過降低空氣流量或增加燃料流量直到達 到設置點溫度TSP，將陰極入口溫度返回到設置點溫度TSP。然而， 如果陽極廢氣中的燃料含量大于最佳含量，可以通過增加空氣流量或 降低燃料流量以將陰極入口溫度降低到設置點溫度，從而達到設置點 溫度TSP?；剡^來參照圖2，如果空氣平穩(wěn)控制器128在步驟S2中判定在 步驟Sl中所得的氧化劑氣體的陰極入口溫度等于設置點溫度TSP， 那么陽極廢氣中的燃料含量處于最佳值，空氣平穩(wěn)控制器128在步驟 S3中的零點處設定空氣平穩(wěn)值并繼續(xù)步驟S8。在這種情況下，空氣 平穩(wěn)控制器128將不會改變空氣流量設置點，從而空氣流量設置點在 早前描述的預定的恒定空氣流量設置點處保持不變，然后空氣流量控 制器126將會將空氣流速控制至該設置點。如果在步驟S2中空氣平穩(wěn)控制器判定氧化劑氣體的陰極入口溫
度不等于設置點溫度TSP，那么在步驟S4中，空氣平穩(wěn)控制器判定 氧化劑氣體的陰極入口溫度是否高于設置點溫度TSP。如果是，在步 驟S41中，空氣平穩(wěn)控制器判定氧化劑氣體的陰極入口溫度是否等于 或處于先前測量的陰極入口溫度的值的預定范圍內(nèi)。如果是，那么過 程繼續(xù)進行步驟S7，在步驟7中保持當前空氣平穩(wěn)值。如果不是，那 么過程繼續(xù)進行步驟S42，判定氧化劑氣體的陰極入口溫度是否大于 先前測量的陰極入口溫度值。如果不是，過程繼續(xù)進行步驟S6，在步 驟S6中，空氣平穩(wěn)控制器以預定的步進值(在本例子中為l)降低空氣 平穩(wěn)值，如果是，在步驟S5中，空氣平穩(wěn)控制器以步進值1增加空 氣平穩(wěn)值。如果在步驟S4中，空氣平穩(wěn)控制器判定氧化劑氣體的陰極入口 溫度不高于設置點溫度TSP，在步驟S43中，空氣平穩(wěn)控制器判定氧 化劑氣體的陰極入口溫度是否等于或處于先前測量的陰極入口溫度 的值的預定范圍內(nèi)。如果是，過程繼續(xù)進行步驟S7，在步驟S7中， 空氣平穩(wěn)控制器保持空氣平穩(wěn)值。如果不是，過程繼續(xù)進行步驟S44， 空氣平穩(wěn)控制器判定氧化劑氣體的陰極入口溫度是否高于先前測量 的陰極入口溫度。如果不是，在步驟S6中，空氣平穩(wěn)控制器以預定 的步進值1降低空氣平穩(wěn)值。如果是，在步驟S7中，空氣平穩(wěn)控制 器以步進值1增加空氣平穩(wěn)值。然后，在步驟S8中，空氣平穩(wěn)控制器128利用在步驟S5、 S6 或S7中測定的空氣平穩(wěn)值計算對空氣流量設置點的調(diào)節(jié)。該調(diào)節(jié)后 的空氣流量設置點被提供給空氣流量控制器。在該步驟中，利用下列 公式對預定的設置點空氣流量ASP進行修正并將其提供給空氣流量 控制器126:Adjusted Airflow = ASP + Air Trim *12 (1) 其中Adjusted Airflow是提供給空氣流量控制器126的空氣流量 設置點，ASP是基于DC電流、期望的燃料流速、期望的燃料熱值和 源自空氣供給116的空氣的溫度的預定空氣流量設置點，Air Trim是 在步驟S5、S6或S7中由空氣平穩(wěn)控制器128計算所得的空氣平穩(wěn)值。
從公式(l)中可以看出，調(diào)節(jié)后的空氣流量將等于恒定的設置點空氣流量ASP，此時空氣平穩(wěn)值等于零。正的空氣平穩(wěn)值將導致較大 的調(diào)節(jié)后的空氣流量，使得更多的空氣被提供給氧化器118。當空氣 平穩(wěn)值為負值時，調(diào)節(jié)后的空氣流量將小于設置點空氣流量ASP，從 而較少的空氣將被從空氣供給提供給氧化器118。在空氣平穩(wěn)控制器 128操作的步驟S9中，空氣流量將以在步驟S8中計算所得的調(diào)節(jié)后 的空氣流速提供給陽極廢氣氧化器。由氣體流量控制組件101的空氣平穩(wěn)控制器128調(diào)制的空氣流速 設置點，在其被輸送給燃料電池陰極106之前允許氧化劑氣體被加熱 到設置點溫度TSP，并且也導致適合量的氧化劑氣體被傳遞給陰極。 此外，如圖l和2所示及以上所述，空氣平穩(wěn)控制器128的操作被燃 料平穩(wěn)控制器用作反饋，以控制流向燃料電池系統(tǒng)的燃料流量。尤其是，由空氣平穩(wěn)控制器128計算所得的空氣平穩(wěn)值的變化與 系統(tǒng)操作過程中燃料氣體的含量(成分和熱值)的變化直接相關。根據(jù) 本發(fā)明，氣體流量控制組件101的燃料平穩(wěn)控制器使用自動燃料流量 調(diào)節(jié)邏輯感應空氣平穩(wěn)值的變化并響應上述變化調(diào)節(jié)燃料流速設置 點。尤其是，與空氣平穩(wěn)控制器128導致的空氣平穩(wěn)值的變化相對應， 燃料平穩(wěn)控制器130調(diào)節(jié)燃料流量設置點，以將空氣平穩(wěn)值保持在預 定范圍內(nèi)。在該說明性方案中，預定的空氣平穩(wěn)值范圍保持在O和-l 之間。燃料流量設置點是基于電流、燃料的期望熱值和超過為產(chǎn)生電 輸出而在燃料電池102的陽極104內(nèi)消耗的量的理想過盈燃料流速的 預定值。因此，當燃料平穩(wěn)控制器130感應到由空氣平穩(wěn)控制器計算所得 的空氣平穩(wěn)值的降低，燃料平穩(wěn)控制器130改變?nèi)剂狭魉僭O置點，以 提供額外的燃料流量，使空氣平穩(wěn)值處于預定范圍內(nèi)。類似地，當燃 料平穩(wěn)控制器感應空氣平穩(wěn)值的增加，燃料平穩(wěn)控制器130修改燃料 流速設置點，以降低燃料的量直到空氣平穩(wěn)值處于預定范圍內(nèi)。現(xiàn)在將參照圖3詳細描述燃料平穩(wěn)控制器130的操作，圖3顯示 了燃料平穩(wěn)控制器130的自動燃料流量調(diào)節(jié)邏輯的流程圖。如圖3所 示，在笫一步猓S101中，燃料平穩(wěn)控制器130接收到來自空氣平穩(wěn) 控制器128的信號，顯示了經(jīng)空氣平穩(wěn)控制器128計算所得的空氣平 穩(wěn)值的變化。在自動燃料流量調(diào)節(jié)邏輯的第二步S102中，燃料流量平穩(wěn)控制 器130判定空氣平穩(wěn)值是否等于0。如果空氣平穩(wěn)值等于O，那么不 對燃料流速設置點進行任何調(diào)節(jié)。如果調(diào)節(jié)邏輯判定空氣平穩(wěn)值不等 于0，那么運行繼續(xù)進行步驟S103，在步驟S103中，燃料流量平穩(wěn) 控制器130在步驟S104中通過改變?nèi)剂蠚浜繀?shù)Th2以將由空氣 平穩(wěn)控制器128測定的空氣平穩(wěn)值變?yōu)?，從而改變?nèi)剂狭魉佟浜?量參數(shù)TH2是一個代表氫體積的參數(shù)，它可以以產(chǎn)生于1立方英尺燃 料的立方英尺表示。例如，含有>99%甲烷的燃料氣體的1^2將為4。因而，參數(shù)TH2確定了氣體成分和熱值，并被用于計算燃料流速設置 點。較高的TH2表明燃料氣體具有較高的熱值，較低的Th2表明氣體具有較低的熱值。在步驟S103中，TH2參數(shù)以小增量或減量被調(diào)節(jié)。在說明性的例子中，TH2參數(shù)的調(diào)節(jié)增量可以為0.02。調(diào)節(jié)Th2參數(shù)直到由空氣平穩(wěn)控制器128計算所得的空氣平穩(wěn)值達到理想值，在本例子中為"0"。不允許調(diào)節(jié)后的TH2參數(shù)超過預定的最高期望值。另外，由燃料平穩(wěn)控制器130引起的TH2參數(shù)的允許變化量可以受到限制。在本說 明性例子中，Tm的最大變化量限于6。/。。當燃料平穩(wěn)控制器130降低TH2參數(shù)時，燃料流速設置點被導致增加，而當其被增加時，燃料流速設置點被導致降低。因此，在步驟S103中，燃料平穩(wěn)控制器130積極地調(diào)節(jié)Th2參 數(shù)，以將空氣平穩(wěn)值保持在理想的空氣平穩(wěn)值，例如"O"。在調(diào)節(jié)TH2 參數(shù)后，在步驟S104中，燃料流速被改變。在某些情況下，燃料平穩(wěn)控制器130不能通過調(diào)節(jié)Th2參數(shù)保持理想的空氣平穩(wěn)值，這一點正如TH2參數(shù)已經(jīng)以最大允許量被改變時的情況一樣。當燃料平穩(wěn)控制器不能保持理想的空氣平穩(wěn)值時，燃料 平穩(wěn)控制器的操作繼續(xù)進行步驟S105。在步驟S105中(同樣緊隨步驟
S104),燃料平穩(wěn)控制器130判定空氣平穩(wěn)值是否小于-1，如果小于， 操作繼續(xù)進行步驟S106,在步驟S106中，高燃料平穩(wěn)警報被觸發(fā)。 高燃料平穩(wěn)警報表明燃料的熱值明顯低于期望值，且已經(jīng)通過降低 TH2參數(shù)將燃料平穩(wěn)調(diào)節(jié)至最大允許含量。高燃料平穩(wěn)警報將提示操 作員檢查燃料的熱值。如果燃料的熱值進一步變化，空氣平穩(wěn)值可能 繼續(xù)進一步落到"-l"以下。在這種情況下，如上參照圖2所描述的， 空氣平穩(wěn)控制器128將改變空氣平穩(wěn)值(這反過來影響總的空氣流 量)，以使流入陰極的氣體溫度保持在理想的溫度設置點。
當空氣平穩(wěn)值為正值時，燃料平穩(wěn)控制器130將増大Th2參數(shù)直
到空氣平穩(wěn)值達到"O"或直到th2參數(shù)達到預定的最高期望值。如果燃
料氣體的熱值進一步增加超過最高期望熱值，空氣平穩(wěn)值可以繼續(xù)進 一步增加。
繼步驟S106中的高燃料平穩(wěn)警報的觸發(fā)之后，或者如果燃料平 穩(wěn)控制器130在步驟S105中判定空氣平穩(wěn)值為正值，調(diào)節(jié)邏輯的操 作繼續(xù)進行步驟S107。在步驟S107中，燃料平穩(wěn)控制器130判定空 氣平穩(wěn)值是否大于預定值，例如5，或小于預定值，例如-5。如圖3 所示，如果空氣平穩(wěn)值大于5或小于-5，那么操作繼續(xù)進行步驟S108， 在步驟S108中，高空氣平穩(wěn)警報被觸發(fā)。高空氣平穩(wěn)警報的觸發(fā)(不 同時觸發(fā)高燃料平穩(wěn)警報)表明燃料氣體的熱值明顯高于最高期望值。 高空氣平穩(wěn)警報連同高燃料平穩(wěn)警報的觸發(fā)將意味著燃料氣體的熱 值明顯低于期望值，燃料平穩(wěn)控制器130不能進一步進行任何抵補。 該警報將提醒操作員啟動修正措施。
對圖1所示的采用具有燃料流量平穩(wěn)控制的氣體流量控制組件 101的系統(tǒng)100的性能進行了測試，并與不具有該控制的相同系統(tǒng)進 行了對比。圖4顯示了經(jīng)測試的系統(tǒng)的性能數(shù)據(jù)的圖。在圖4中，X 軸代表系統(tǒng)100的操作時間，而Y軸代表以scfm單位表示的燃料流 速，DC電流以安培表示，空氣流速以scfm單位表示。在測試安裝有 燃料平穩(wěn)控制的系統(tǒng)的性能過程中，記錄了系統(tǒng)運行過程中由系統(tǒng)產(chǎn) 生的燃料流量和空氣流速以及DC電流。
在第 一運行期間，經(jīng)測試的燃料電池系統(tǒng)采用不具備燃料平穩(wěn)控
制器130的氣體流量控制組件，修正系統(tǒng)的燃料流速。在第二運行期 間，經(jīng)測試的系統(tǒng)包括采用如圖1所示的燃料平穩(wěn)控制器130的氣體 流量控制組件101。可以看出，在第一運行期間，在大約30.1scfm處， 燃料流速基本上恒定，盡管由于燃料含量的變化，對空氣流量進行頻 繁的調(diào)節(jié)，使得空氣流速在590道760 scfm范圍內(nèi)變動。
在第二運行期間，氣體流量控制系統(tǒng)不僅調(diào)節(jié)燃料流量，也調(diào)節(jié) 空氣流速，使得燃料流速在大約29.3和3180{111之間變動，而空氣流 速在630和720 scfm之間變動。系統(tǒng)在第一和第二運行期間產(chǎn)生的 DC電流在大約700安培處保持相對恒定。從圖4中的性能數(shù)據(jù)可以 看出，利用燃料平穩(wěn)控制器130的自動燃料流量調(diào)節(jié)邏輯的氣體流量 控制組件101，對提供給系統(tǒng)的燃料流量采用了更加精確的控制，這 也導致了空氣流速更小的變化。上述精確控制允許系統(tǒng)快速地適應燃 料含量的變化，使得適量的燃料被提供給系統(tǒng)，且由系統(tǒng)產(chǎn)生的電流 被保持在恒定的水平上。
在任何場合，應當理解上述的方案僅是說明代表本發(fā)明應用的許 多可能的具體實施例。根據(jù)本發(fā)明的原理且不偏離本發(fā)明的精神實質(zhì) 和范圍，可以容易地修改大量的和不同的其他方案。
權(quán)利要求
1. 一種用于燃料電池系統(tǒng)的氣體流量控制組件，包括 適于基于離開所述燃料電池系統(tǒng)的陽極一側(cè)的陽極廢氣內(nèi)的含量變化，調(diào)節(jié)流向所述燃料電池系統(tǒng)的陰極側(cè)的空氣的空氣流量的空 氣流量控制組件；以及適于基于通過所述空氣流量控制組件對所述空 氣流量的調(diào)節(jié)，控制流向所述燃料電池系統(tǒng)的陽極側(cè)的燃料的燃料流 量的燃料流量控制組件。
2. 根據(jù)權(quán)利要求l用于燃料電池系統(tǒng)的氣體流量控制組件，其 中所述燃料電池系統(tǒng)包括適于利用含有未反應燃料的給定含量的陽 極廢氣將所述空氣預熱到預定溫度的氧化組件；并且其中所述空氣流量控制組件基于因所述陽極廢氣的所述含量的變化 導致的所述預熱空氣的所述預定溫度的溫度變化，調(diào)節(jié)所述空氣流 量，以將所述預熱空氣的所述溫度保持在所述預定溫度。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2用于燃料電池系統(tǒng)的氣體流量控制組件，其 中所述空氣流量控制組件包括用于將所述空氣流量控制到空氣流量 設置點的空氣流量控制器，該設置點導致當所述陽極廢氣的所述含量 為所述給定含量時所述氧化組件將所述空氣預熱到所述預定溫度；以 及用于將所述空氣流量設置點提供給所迷空氣流量控制器的空氣 平穩(wěn)控制器，所述空氣平穩(wěn)控制器將所述預熱空氣的溫度與所述預定 溫度進行比較，以確定調(diào)節(jié)值并基于所述調(diào)節(jié)值調(diào)節(jié)所述空氣流量設 置點。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3用于燃料電池系統(tǒng)的氣體流量控制組件，其 中當所述預熱空氣的所述溫度低于所述預定溫度時，所述空氣平穩(wěn)控 制器分別步進地降低和升高所述調(diào)節(jié)值以降低和增加所述預熱空氣 的所述溫度，當所述預熱空氣的所述溫度大于所述預定溫度時，分別 步進地升高和降低所述調(diào)節(jié)值以增加和降低所述預熱空氣的所述溫 度，并且其中所述調(diào)節(jié)值與通過所述空氣平穩(wěn)控制器調(diào)節(jié)的空氣流量 成正比'
5. 根據(jù)權(quán)利要求4用于燃料電池系統(tǒng)的氣體流量控制組件，其 中所述步進值為1，并且其中所述空氣平穩(wěn)控制器控制所述空氣流 量，使得Airflow = Set Point Airflow + Adjustment Value * 12.
6. 根據(jù)權(quán)利要求4用于燃料電池系統(tǒng)的氣體流量控制組件，其 中所述燃料流量控制組件包括用于調(diào)節(jié)所述系統(tǒng)的燃料流量設置點 的燃料平穩(wěn)控制器，其中所述燃料平穩(wěn)控制器接收由所述空氣平穩(wěn)控 制器計算所得的所述調(diào)節(jié)值，并調(diào)節(jié)所述燃料流量設置點，以將所述 調(diào)節(jié)值保持在預定范圍內(nèi)。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6用于燃料電池系統(tǒng)的氣體流量控制組件，其 中所述步進值為1，并且其中所述燃料平穩(wěn)控制器調(diào)節(jié)燃料流量以將 所述調(diào)節(jié)值保持在0和-1之間。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7用于燃料電池系統(tǒng)的氣體流量控制組件，其 中如果所述調(diào)節(jié)值小于-1，所述燃料平穩(wěn)控制器增加所述燃料流量。
9. 根據(jù)權(quán)利要求6用于燃料電池系統(tǒng)的氣體流量控制組件，其 中所述燃料流量控制組件進一步包括用于在所述燃料平穩(wěn)控制器調(diào) 節(jié)所述預定燃料流量設置點之后，將來自燃料供給的燃料流量控制至 所述燃料流量設置點的燃料流量控制器以及用于測量所述燃料流速 的燃料流量計。
10. 根據(jù)權(quán)利要求9用于燃料電池系統(tǒng)的氣體流量控制組件，其 中所述預定燃料流速超過通過所述系統(tǒng)產(chǎn)生預定電輸出的最低要求 燃料流速。
11. 根據(jù)權(quán)利要求10用于燃料電池系統(tǒng)的氣體流量控制組件， 其中所述預定燃料流速超過最低要求燃料流速的40% 。
12. 根據(jù)權(quán)利要求11用于燃料電池系統(tǒng)的氣體流量控制組件， 其中所述燃料流量計為熱質(zhì)流量計。
13. 根據(jù)權(quán)利要求12用于燃料電池系統(tǒng)的氣體流量控制組件， 其中所述空氣流量設置點是基于所述系統(tǒng)的所述預定電輸出和提供 給所述系統(tǒng)的所述空氣的溫度確定的。
14. 一種與空氣供給和燃料供給一同使用的燃料電池系統(tǒng)，所述 燃料電池系統(tǒng)包括燃料電池，包括陽極側(cè)和陰極側(cè)；燃料入口，用于接收來自燃料供給的燃料，用以提供給所述陽極側(cè)；空氣入口，用于接收來自所述空氣供給的空氣，用以將氧化劑氣 體提供給陰極側(cè)；氣體流量控制組件，包括用于調(diào)節(jié)來自所述空氣入口的空氣的空 氣流量的空氣流量控制組件，以及用于控制來自燃料入口的燃料的燃 料流量的燃料流量控制組件，其中所述燃料流量控制組件基于通過所述空氣流量控制組件對 所述空氣流量的調(diào)節(jié)，控制所述燃料流量。
15. 根據(jù)權(quán)利要求14的燃料電池系統(tǒng)，進一步包括適于利用含 有未反應燃料的給定含量的陽極廢氣，將所述空氣預熱至預定溫度的 氧化組件；并且其中所述空氣流量控制組件基于由所述陽極廢氣的所述含量的變化 導致的所述預熱空氣的所述預定溫度的溫度變化，調(diào)節(jié)所述空氣流 量，以將所述預熱空氣的所述溫度保持在所述預定溫度。
16. 根據(jù)權(quán)利要求15的燃料電池系統(tǒng)，其中所述空氣流量控制 組件包括空氣流量控制器，用于將所述空氣流量控制到空氣流量i殳 置點，當所述陽極廢氣的所述含量為所述給定含量時，上述設置點導 致所述氧化組件將所述空氣預熱至所述預定溫度；以及空氣平穩(wěn)控制 器，用于將所述空氣流量設置點提供給所述空氣流量控制器，所述空 氣流量控制器將所述預熱空氣的溫度與所述預定溫度進行比較，以確 定調(diào)節(jié)值并基于所述調(diào)節(jié)值調(diào)節(jié)所述空氣流量。
17. 根據(jù)權(quán)利要求16的燃料電池系統(tǒng)，其中當所述預熱空氣的 所述溫度小于所述預定溫度時，所述空氣平穩(wěn)控制器分別步進地降低 和增加所述調(diào)節(jié)值，以降低和增加所述預熱空氣的所述溫度，當所 述預熱空氣的所述溫度大于所述預定溫度時，分別步進地增加和降低 所述調(diào)節(jié)值，以增加和降低所述預熱空氣的所述溫度，并且其中所述 調(diào)節(jié)值與由所述空氣平穩(wěn)控制器引起的空氣流量調(diào)節(jié)成正比。
18. 根據(jù)權(quán)利要求17的燃料電池系統(tǒng)，其中所述設置點空氣流 速是基于所述系統(tǒng)的預定電輸出和由所述空氣供給提供的所述氧化 氣體的溫度確定的。
19. 根據(jù)權(quán)利要求18的燃料電池系統(tǒng)，其中所述燃料流量控制 組件包括燃料平穩(wěn)控制器，用于調(diào)節(jié)流向所述陽極側(cè)的燃料流量，其 中所述燃料平穩(wěn)控制器接收由所述空氣平穩(wěn)控制器計算所得的所述 調(diào)節(jié)值，并調(diào)節(jié)所述燃料流量，以將所述調(diào)節(jié)值保持在預定范圍內(nèi)。
20. 根據(jù)權(quán)利要求19的燃料電池系統(tǒng)，其中所述步進值為1， 并且其中所述燃料平穩(wěn)控制器調(diào)節(jié)燃料流量，以將所述調(diào)節(jié)值保持在 0和-l之間。
21. 根據(jù)權(quán)利要求20的燃料電池系統(tǒng)，其中如果所述調(diào)節(jié)值小 于-1，所述燃料平穩(wěn)控制器增加來自所述燃料供給的燃料流量。
22. 根據(jù)權(quán)利要求19的燃料電池系統(tǒng)，其中所述燃料流量控制 組件進一步包括用于在所述燃料平穩(wěn)控制器調(diào)節(jié)所述預定燃料流量 設置點之后，將來自燃料供給的燃料流量控制至燃料流量設置點的燃 料流量控制器和用于測量所述燃料流速的燃料流量計。
23. 根據(jù)權(quán)利要求22的燃料電池系統(tǒng)，其中所述預定燃料流速 超過產(chǎn)生預定電輸出的最低要求燃料流速。
24. 根據(jù)權(quán)利要求23的燃料電池系統(tǒng)，其中所述預定燃料流速 超過最低要求燃料流速的40% 。
25. 根據(jù)權(quán)利要求24的燃料電池系統(tǒng)，其中所述燃料流量計為 熱質(zhì)流量計。
26. 根據(jù)權(quán)利要求25的燃料電池系統(tǒng)，其中所述系統(tǒng)進一步包 括用于對來自所述燃料入口的所述燃料進行預處理的燃料處理組件 和用于加熱預處理后的燃料的熱交換器，所述熱交換器的出口耦合于 所述陽極側(cè)的入口。
全文摘要
一種用于燃料電池系統(tǒng)的氣體流量控制組件，包括基于離開燃料電池系統(tǒng)陽極一側(cè)的廢氣中的含量變化，調(diào)節(jié)流向該系統(tǒng)陰極一側(cè)的空氣流量的空氣流量控制組件，和基于通過空氣流量控制組件對空氣流量的調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)流向陽極一側(cè)的燃料流量的燃料流量控制組件。
文檔編號H01M8/04GK101147290SQ200580049277
公開日2008年3月19日 申請日期2005年10月19日 優(yōu)先權(quán)日2005年3月25日
發(fā)明者喬治·博恩森, 安東尼·J·利奧, 弗雷德·C·揚克, 拉瑪克爾什曼·文卡塔拉曼, 格萊恩·L·卡爾森 申請人:燃料電池能有限公司