專利名稱：響應于低需求而使空氣分流的燃料電池動力裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種燃料電池動力裝置(fuel cell power plant),其例如 可用于為電動車提供動力，其中需求的快速減少導致陰極空氣分流至 周圍環(huán)境中，從而避免陰極溶解和隨之發(fā)生的嚴重的性能下降。
背景技術(shù)：
帶有蓄電池或功率容量增大能力的聚合物電解質(zhì)的質(zhì)子交換膜 (PEM)燃料電池動力裝置通常具有非常寬的需求范圍，波動至非常低 的需求導致了開路電壓狀態(tài)。在開路電壓狀態(tài)下，相對較高的陰極電 壓造成陰極催化劑溶解，其則導致性能下降。因為這種燃料電池還具 有動力需求上的突然提升，流向陰極的反應劑氣流必須是可獲得的以 滿足這種需求，因此氣泵在低需求期間必須連續(xù)操作，以適應對較高 的動力需求的快速恢復。目前已經(jīng)知曉使用虛假負荷來吸收這些狀態(tài) 下的某些過量的燃料電池輸出功率，從而減小開路電壓和陰極腐蝕。
發(fā)明公開
本發(fā)明的目的包括控制為電動車或混合動力車輛提供功率的燃 料電池疊組中的腐蝕和性能下降；將能量保存在低需求易反復發(fā)生的 燃料電池動力裝置中；在減少負荷期間，以與之前狀態(tài)緊密關(guān)聯(lián)的方 式來控制燃料電解反應；保存否則會浪費掉的燃料和/或燃料電池動力 裝置中的能量；在具有較寬需求波動的燃料電池動力裝置中減少開路 電壓狀態(tài)；在具有較寬需求波動的燃料電池動力裝置中減少陰極催化 劑溶解；減小遇到較寬的需求波動的燃料電池動力裝置中的性能下 降；及改進燃料電池動力裝置。
本發(fā)明以認識到以下事實為基礎(chǔ)，即流向燃料電池動力裝置陰極的反應空氣(reactant air)會快速且顯著的下降，其在燃料電池動力裝置 具有至低功率需量的快速波動時，顯著地減少了將燃料電池疊組保持 在安全電壓下所需要的功率消耗，從而避免了緊隨著需求減少而引起 的陰極老化。本發(fā)明還以認識到這一事實為基礎(chǔ)，即如果陰極反應劑 泵(通常為吹風機)連續(xù)運行在幾乎操作全速下，那么動力裝置可快速 響應輸出動力需求上的突然提升。
根據(jù)本發(fā)明，由吹風機提供的反應空氣被快速分流至周圍環(huán)境， 以響應于低的動力需求，其可能導致高的陰極電壓狀態(tài)，例如每電池 大于0.85伏；在低輸出動力需求期間，吹風機運行在比需求更高的水 準下，并因而為響應輸出動力需求上的快速提升作好準備。
根據(jù)本發(fā)明，無論在輸出動力需求存在快速下降的任何時候，都 可將可選的輔助負荷與正常負荷并聯(lián)連接，從而4毛散功率，所述功率 是在消耗殘留于疊組中的氧氣，即處于流場中和吸附在催化劑上的殘 留氧氣的過程中所產(chǎn)生的；輔助負荷在低需求期間可通過來自吹風機 的空氣進行冷卻。
雖然某些來源于消耗殘留的氧氣所獲得的功率可通過存儲于蓄 電池或電容器組中而恢復，假定蓄電池或電容器組處于充分;^電狀態(tài) 以吸收功率，但是利用本發(fā)明可避免能量存儲系統(tǒng)(蓄電池或電容器) 充滿電量而不能在輸出動力需求快速減少期間吸收任何更多能量的 情形。另外，在過渡到低需求期間減少了燃料消耗，因為更快速的氧 氣下降，其由于本發(fā)明而迅速地減少了燃料電池動力裝置所產(chǎn)生的功率量。
根據(jù)以下對附圖所示的其典型實施例的詳細說明將更加明晰本 發(fā)明的其它目的、特征和優(yōu)勢。
附圖簡要說明


圖1是根據(jù)本發(fā)明的燃料電池動力裝置的示意性的方框圖，這種 燃料電池動力裝置在低需求期間使空氣分流離開陰極。圖2是根據(jù)本發(fā)明的燃料電池動力裝置的示意性的方框圖，其在 低需求期間將燃料電池疊組的能量耗散在輔助負荷中。
圖3是根據(jù)本發(fā)明的圖2實施例的備選方案的示意性的方框圖。
用于實現(xiàn)本發(fā)明的模式
現(xiàn)在參看圖1，車輛150包括燃料電池疊組151,其包括多個鄰 接的燃料電池，其各具有位于陽極17和陰極19之間的質(zhì)子交換膜16, 在圖1中只顯示了一個燃料電池12。燃料電池疊組151的正極和負極 端子上的電輸出通過一對線路155，156經(jīng)由開關(guān)158而連接至電動車 或混合動力車輛的推進系統(tǒng)159上。
水循環(huán)系統(tǒng)具有帶排放口 165的儲槽164、壓力控制微調(diào)閥166、 諸如位于運水板84,86,88,89中的那些水通道、散熱器和風扇168,169 以及水泵170,散熱器和風扇168,169可有選擇地操作以冷卻在系統(tǒng) 中循環(huán)的水。入口 173處的大氣由泵，例如吹風機174、壓縮機等來 提供，穿過雙向分流閥(diverter valve)172而流向陰極19的氧化劑反應 氣體流場，并^v而穿過壓力調(diào)節(jié)閥175而至排;故口 176。氫氣自源179 通過流量調(diào)節(jié)閥180而供給至陽極17的燃料反應氣體流場，并從而 穿過放氣閥181而至排放口 182。燃料再循環(huán)回路包括泵183。
控制器185響應由電流檢測器186確定的負荷電流以及線路 155,156上的電壓；其還可將疊組的溫度提供于線路187上?？刂破?則可控制線路190上的閥門180和在線路191上的閥門172,以及控 制其它岡門、開關(guān)158和泵170,174,如圖1中所示。
控制器185響應線路193-195上的來自車輛推進系統(tǒng)159的起動、 速度和需求控制信號，其指示燃料電池何時應該開始操作，以及車輛 推進系統(tǒng)所要求的功率數(shù)量。當在線路193上將起動信號從車輛推進 系統(tǒng)159發(fā)送至控制器185時，來自控制器的信號將使閥門180,181 和泵183進行恰當?shù)牟僮鳎瑥亩鵀殛枠O17的流場提供燃料反應氣體， 并且閥門172和175以及泵174將進行恰當?shù)牟懦俗鳎詊更為陰極19的流場提供大氣。
當將足夠量的燃料和空氣提供給電池時，控制器185將檢測線路
155,156上的開路電壓。這時，控制器可斷開開關(guān)158，從而將燃料電 池疊組151連接到車輛推進系統(tǒng)159上。
在起動或關(guān)閉期間，存儲控制器200可通過將能量應用于能量存 儲系統(tǒng)201中而耗散存儲在燃料電池疊組中的能量，能量存儲系統(tǒng)在 當前實施例中是車輛推進系統(tǒng)159的蓄電池。在其它實施例中，能量 存儲系統(tǒng)201可以是某些其它蓄電池，其可以是電容器或飛輪，或者 其可以是某些其它能量存儲裝置。假定提供當前的電量狀態(tài)合適的 話，能量存儲系統(tǒng)200,201可有助于分別在高或低需求期間提供或吸 收功率。根據(jù)本發(fā)明，調(diào)整雙向分流閥172，以便不提供，或提供一 些或所有來自泵174的空氣至陰極19的氧化劑反應氣體流場。當負 荷需求下降至燃料電池接近開路電壓的點位時，例如當車輛減速、停 止或下坡移動時，來自線路191上的控制器的信號調(diào)整閥門172，以 便使某些或所有空氣立即分流周圍環(huán)境。在低需求期間，空氣泵可工 作在超過燃料電池中所需流量的空氣流速下，使得疊組可快速響應上 升的需求。如果在本發(fā)明的任何給定的實現(xiàn)形式中需要，控制器可在 線路191上提供信號作為負荷的反函數(shù)，從而分流閥172使恰當比例 的空氣量分流周圍環(huán)境。
通過利用分流閥172來排空空氣，泵174可保持運轉(zhuǎn)，并立即減 少流向陰極的空氣量，使得只有少量殘余空氣保留在陰極流場和電極 結(jié)構(gòu)中。在某些實施例中，在低負荷期間，或甚至在停止期間可減少 泵174的速度。
可選地，剛才描述的本發(fā)明可結(jié)合一毛散功率的輔助負荷220(圖2) 一起使用，其通過開關(guān)221由控制器連接在燃料電池輸出線路155,156 上，以響應線路191上的信號，其打開閥門172,以使 使氣流分流至 周圍環(huán)境。當來自泵174的氣流經(jīng)傳送并穿過分流閥172而流向排放 口時，其可對輔助負荷220進行冷卻。這容許來自陰極中的殘留氧氣的更大的能量耗散。
本發(fā)明的一個備選實施例(圖3)將輔助負荷220放置在分流閥172 的下游，從而在正常操作期間沒有壓力降，但另一方面，這個實施例 將必須伴有流向陰極的空氣流量由于輔助負荷220上的壓力降而引起 的較不快的變化。輔助負荷220的物理位置優(yōu)選能^f吏其4皮大氣冷卻。
本發(fā)明還可用于固定的動力裝置以及其它類型的動力裝置。
權(quán)利要求
1.一種燃料電池動力裝置，包括燃料電池疊組(151)，其包括多個燃料電池(12)，所述多個燃料電池(12)各具有帶反應空氣流場的陰極(19)和位于質(zhì)子交換膜(16)相對側(cè)的陽極(17)；氣泵(174)，其連接在所述空氣流場上，用于為所述陰極提供反應空氣；和由所述疊組提供動力的負荷(159)；其特征在于分流閥(172)設(shè)置在所述氣泵和所述空氣流場(159，200，201)之間，以用于有選擇地使來自所述泵的空氣分流至周圍環(huán)境，而不使分流空氣穿過所述空氣流場；控制器(185)，其響應于所述負荷的動力需求(195)以某種方式控制所述分流閥，從而至少使一些來自所述泵的空氣分流至周圍環(huán)境來響應動力需求的下降。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池動力裝置，其特征在于 所述分流閥(172)使所有來自所述泵(174)的空氣分流至周圍環(huán)境來響應所述負荷(159)的低需求。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池動力裝置，其特征在于 所述分流閥(172)被促使將一部分來自所述泵(174)的空氣分流至周圍環(huán)境來響應所述負荷(l 59)的低需求。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池動力裝置，其特征還在于 輔助負荷(220),其可跨接在所述疊組(151)的功率輸出端(155,156)上以響應所述控制器(185),所述控制器(185)感應所述負荷的低需求。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的燃料電池動力裝置，其特征在于 所述輔助負荷(220)設(shè)置在來自所述泵(174)的空氣流中，位于所述泵和所述分流閥(172)之間。
6. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的燃料電池動力裝置，其特征在于 所述輔助負荷(220)設(shè)置在來自所述泵(174)的空氣流中，位于所述分流閥(172)和周圍環(huán)境之間。
7. —種電動車或混合動力車輛，其特征在于 根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池動力裝置，其中 所述負荷是車輛推進系統(tǒng)(159);所述控制器(185)響應所述燃料電池疊組(151)的電壓輸出(155,156) 和電流輸出(186)以及來自所述車輛推進系統(tǒng)(159)的起動(193)、速度 (194)和需求(195)信號；且所述車輛推進系統(tǒng)可通過所述控制器(185)而連接(158)到所述燃 料電池疊組的功率輸出端，以響應所述信號。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的電動車，其特征還在于 輔助負荷(220)，其可通過所述控制器(185)連接在所述疊組(151)的功率輸出端(155,156)上，以響應指示低需求的所述信號 (155,156;186;193-195)。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池動力裝置，其特征在于 所述泵(l74)的速度被減少以響應來自所述負荷的低需求。
10. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的燃料電池動力裝置，其特征在于 所述泵^支停止以響應來自所述負荷的低需求。
全文摘要
一種可驅(qū)動車輛推進系統(tǒng)(159)的燃料電池系統(tǒng)，其包括具有疊組(151)的燃料電池動力裝置，所述疊組包括多個燃料電池(12)，其各具有由膜(16)分隔開的陰極(19)和陽極(17)，以及通過分流閥(172)而連接在反應空氣流場上的氣泵(174)。控制器(185)響應于正常需求和高需求而促使分流閥容許空氣從泵流向反應空氣流場，并且響應于低需求而促使所述分流閥將空氣直接分流到周圍環(huán)境中，使其不會到達陰極，從而減少促進陰極老化的開路電壓狀態(tài)，并防止過大的性能下降。輔助負荷(220)可位于分流氣流中，位于分流閥的前面或后面。能量存儲系統(tǒng)(200，201)與車輛推進系統(tǒng)一起工作。
文檔編號H01M8/04GK101317290SQ200580052172
公開日2008年12月3日 申請日期2005年11月29日 優(yōu)先權(quán)日2005年11月29日
發(fā)明者C·A·賴澤 申請人:Utc電力公司