專利名稱：具有減少的效率損耗的燃料電池系統(tǒng)加溫策略的制作方法
具有減少的效率損耗的燃料電池系統(tǒng)加溫策略 技術(shù)領(lǐng)域[OOOl]本發(fā)明一般涉及在系統(tǒng)啟動時快速且有效率地加熱燃料電池堆的方法，并且更具體地涉及在系統(tǒng)啟動時基于熱源效率來區(qū)分熱 源的優(yōu)先次序并使用熱源從而加熱燃料電池堆的方法。
背景技術(shù)：
氫是一種非常有吸引力的燃料，因為它干凈并且能夠被用 于在燃料電池中有效率地生成電。氬燃料電池是一種電化學裝置，其 包括陽極和陰極且在二者間具有電解液。陽極接收氪氣，而陰極接收 氧氣或空氣。氫氣在陽極中被分解而產(chǎn)生自由質(zhì)子和電子。質(zhì)子穿過 電解液到陰極。質(zhì)子與陰極內(nèi)的氧氣和電子發(fā)生反應(yīng)從而產(chǎn)生水。來 自陽極的電子不能穿過電解液，并且因此被引導通過負載在被送到陰 極前進行工作。
質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)是用于機動車輛的流行燃 料電池。PEMFC —般包括固體聚合物電解液質(zhì)子導電膜，例如全氟 磺酸膜。陽極和陰極代表性地包括被支撐在碳顆粒上并且與離聚物混 合的磨碎的催化劑顆粒(經(jīng)常是鉑(Pt))。催化劑混合物被沉積在膜 的相對側(cè)上。陽極催化劑混合物、陰極催化劑混合物和膜的組合定義 了膜電極組件(MEA)。
代表性地在一個燃料電池堆中結(jié)合幾種燃料電池來產(chǎn)生所 需功率。燃料電池堆接收陰極反應(yīng)氣體，代表性地是被壓縮機驅(qū)動通 過該堆的空氣流。并不是所有的氧氣均被該堆消耗，而是一些空氣作 為陰極排氣被輸出，該陰極排氣可以包括被作為堆副產(chǎn)品的水。燃料 電池堆也接收流入堆陽極側(cè)的陽極反應(yīng)氬氣。堆也包括流動通道，冷 卻液流過所述流動通道。
燃料電池堆代表性地包括位于堆內(nèi)的幾個MEA之間的一 連串雙極板，其中雙極板和MEA位于兩個端豐反之間。雙極板包括堆 內(nèi)的鄰近的燃料電池的陽極側(cè)和陰極側(cè)。陽極氣體流動通道被配備在 雙極板的陽極側(cè)上以允許陽極反應(yīng)氣體流動到相應(yīng)MEA。陰極氣體
應(yīng)MEA。 一個端板包括陽極氣體流動通道，而另一個端板包括陰極 氣體流動通道。雙極板和端板由例如不銹鋼或?qū)щ姾铣晌锏膶щ姴牧?制成。端板傳導由燃料電池產(chǎn)生的來自堆的電。雙極板也包括流動通 道，冷卻液;危過所述流動通道。
燃料電池堆在某個堆工作溫度下更有效率地且更穩(wěn)定地工 作，該堆工作溫度代表性地由流動通過堆的冷卻液控制。在系統(tǒng)啟動時，燃料電池堆典型地為低溫度，可能低于零度。需要在系統(tǒng)啟動時 將堆盡快加熱到所需溫度以便堆盡快地就可以更有效率地且更穩(wěn)定地工作。發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明的教導，公開的方法用于在系統(tǒng)啟動時更快且 更有效率地加熱燃料電池堆。該方法基于各種堆熱源的效率來使用各 種堆熱源并區(qū)分各種堆熱源的優(yōu)先次序以便加熱堆。基于大氣溫度和 堆冷卻液的溫度來確定將堆加熱至所需溫度的熱功率設(shè)置點。然后比 較該設(shè)置點與通過正常系統(tǒng)啟動操作而工作的熱源提供的堆溫度。如 果需要更多的熱來到達設(shè)置點，則該方法可以首先使用負栽引起燃料 電池堆溫度上升處的堆功率來給系統(tǒng)電池充電。如果仍需要附加加 熱，則根據(jù)需要該方法然后可以打開冷卻液加熱器，隨后使少量的氫 流入陰極入口流以提供燃燒，并且然后增加壓縮機負載。
結(jié)合附圖從下述描述和所附權(quán)利要求可以明顯地得出本發(fā) 明的附加特征。


圖1是燃料電池系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖；以及 [OOIO]圖2是根據(jù)本發(fā)明的實施例的控制器的結(jié)構(gòu)圖，其示出了 在系統(tǒng)啟動時快速地且有效率地加熱燃料電池堆的過程。
具體實施方式
[OOll]涉及在系統(tǒng)啟動時基于各種熱源的效率來區(qū)分各種熱源的 優(yōu)先次序并使用各種熱源以加熱燃料電池堆的本發(fā)明的實施例的下
述討論實質(zhì)上僅僅是示例性的，并且決不意味著限制本發(fā)明或其應(yīng)用 或使用。
如下面將要討論的，本發(fā)明提出在系統(tǒng)啟動時盡可能快速 地且有效率地加熱燃料電池堆以最小化堆加溫時間(warm-up time) 的方法。該方法應(yīng)用幾個不同熱源來在系統(tǒng)啟動時加熱堆。這些熱源 包括基于堆負載因堆無效率而產(chǎn)生的熱、冷卻液加熱器、堆中的端電 池加熱器、使氫進入堆的陰極側(cè)以產(chǎn)生催化燃燒以及使陰極壓縮機過 載以在陰極空氣電池內(nèi)產(chǎn)生熱。可以通過給作為堆負載的高壓電池充 電而增加堆生熱。因為用于給電池充電的能量可從電池中重新獲得， 所以這個加熱堆的技術(shù)是最有效率的。使用冷卻液加熱器和堆端電池 加熱器不僅加熱冷卻液和堆端電池，還增加了堆負載電流，這也會加 熱堆。因為這個雙重加熱效果，所以冷卻液加熱器和端電池加熱器是 加熱燃料電池堆的第二最有效率的方式。加熱燃料電池堆的下一種最 有效率的方式是將少量氫注入堆的陰極側(cè)，在這里氫燃燒、產(chǎn)生熱。 對于能向堆的陰極側(cè)注入多少氫是存在成分限制的。同樣， 一些被注 入的氫可以流到排氣從而導致系統(tǒng)中不希望的散發(fā)。用于產(chǎn)生額外熱 以加熱堆的最后一種技術(shù)是通過增加;夸過壓縮機的壓力比率從而加 熱陰極入口空氣并且增加堆上的電負載。該方法代表性地是效率低的 并且在系統(tǒng)中會生成額外噪音。
圖1是包括燃料電池堆12的燃料電池系統(tǒng)10的平面圖。 燃料電池堆12包括在堆12的端電池內(nèi)的端電池加熱器14和16。燃 料電池堆12接收來自在陰極輸入線20上的壓縮機18的陰極輸入空 氣，并且在陰極輸出線22上輸出陰極排氣。同樣地，燃料電池堆12 接收來自在陽極輸入線24上的氫存儲源28的氬氣，并且在陽極輸出 線26上輸出陽極排氣。來自源28的氫氣可以被選擇性地提供到陰極 輸入線20并且通過閥44進入堆12的陰極側(cè)從而提供在堆12的陰極 側(cè)的燃燒以便以本領(lǐng)域技術(shù)人員很好理解的方式加熱堆12 。
在燃料電池堆12的雙極板內(nèi)提供冷卻液流動通道。冷卻液 #皮泵30泵壓通過冷卻液流動通道并且通過堆12外側(cè)的冷卻液回路 32。來自堆12的在回路32中的冷卻液被送到散熱器34，在被送回燃 料電池堆12之前在該散熱器34內(nèi)降溫?；芈?2內(nèi)的旁通閥36被控 制以便允許冷卻液的選擇量在旁通線28上繞過散熱器34從而冷卻液
不被散熱器34冷卻。在冷卻液回路32內(nèi)的冷卻液加熱器40可被用 于在堆啟動時加熱冷卻液。溫度傳感器42測量^^人堆12流出的在回路 32內(nèi)的冷卻液的溫度。
系統(tǒng)10還包括高壓電池46，該高壓電池46被電耦合到燃 料電池堆12并且可以被堆12充電。
根據(jù)本發(fā)明，在系統(tǒng)啟動時堆加溫算法加熱堆12以便堆12 更快速地且以有效率的方式到達其理想工作溫度。算法首先確定從系 統(tǒng)10的正常操作中的加熱堆的各種熱源所產(chǎn)生的熱是多少。例如， 如果在系統(tǒng)啟動時在堆12上立即存在大負載，則堆12本身產(chǎn)生的熱 應(yīng)該足夠?qū)⒍?2快速地加熱到其工作溫度。如果因為堆12太冷或者 因為熱源不足，正常系統(tǒng)操作沒有產(chǎn)生足夠的熱，則算法基于效率和 所需熱量激活各種熱源并且區(qū)分各種熱源的優(yōu)先次序。這個區(qū)分優(yōu)先 次序包括首先從堆12中抽取電流以便給電池46充電。如果通過給電 池46充電堆不能產(chǎn)生足夠的熱來足夠快速地加熱堆12，那么算法然 后會打開冷卻液加熱器40。如果仍需要更多的熱，則然后算法通過閥 44將氬送入堆12的陰極側(cè)以便產(chǎn)生燃燒。如果仍需要更多的熱，那 么然后可以通過例如關(guān)閉線2 0上的閥以使得壓縮機18更猛烈地工作 來增加跨過壓縮機18的壓力比率。
根據(jù)本發(fā)明，加溫算法的設(shè)置點是基于來自溫度傳感器42 的冷卻液出口溫度以及大氣溫度，該大氣溫度被用于以千瓦確定熱功率從而確定提供多少熱?；谙率龅仁?l),通過使堆生熱O'w、冷卻'液加熱器生熱Q加'糾她'器、端電、池加熱器生熱Q端暢加熱器、陰才及氫;克動所 產(chǎn)生的熱《2以及壓縮才幾生熱0"柳1相加而計算總生熱^總。<formula>formula see original document page 8</formula> (i )
可以如下計算堆生熱1.25 。<formula>formula see original document page 8</formula>(2)
進入冷卻液的壓縮才幾熱可以;故忽略，因為相對于其他熱源 其在量級上基本很小并且難以準確測量。在堆負載上的額外壓縮機功率和堆產(chǎn)生的熱的效果在等式(2)中被計算。<formula>formula see original document page 8</formula>(3)
其中氫的低熱值為120kW/(g/sec)，并且&是冷卻液出口溫度和平 平均電池電壓的函數(shù)。
圖2是根據(jù)本發(fā)明的實施例的結(jié)構(gòu)圖50，其示出了在系統(tǒng) 啟動時的短時期內(nèi)確定將堆12加熱到所需溫度所需要的熱的過程。 根據(jù)來自大氣溫度傳感器56的大氣溫度和來自溫度傳感器42的在線 58上的溫度提供來自查找表54的在線52上的生熱請求信號。該生熱 請求信號被送到總和塊60以便將線62上的生熱誤差確定為當前由正 常系統(tǒng)熱源提供給堆12的熱與堆12所需加熱之間的差。將誤差提供 給比例積分微分(PID)控制器64從而生成熱德耳塔請求(heat delta request),然后加溫算法會使用該熱德耳塔請求以便基于上述討論區(qū) 分堆12的附加加熱的優(yōu)先次序。
如果系統(tǒng)IO被啟動，并且機動車輛操作者立即操作機動車 輛，那么堆12上的負栽會基于等式(2)提供在線66上的堆生熱。 該堆生熱足以滿足快速地且有效率地加熱堆12的需求。堆12可以提 供功率以操作壓縮機18、冷卻液泵30等，這樣也增加了基于等式(2) 提供到線66上的熱量?？梢酝ㄟ^端電池加熱算法的控制而使端電池 加熱器14和16被啟動，這將在線68上提供附加生熱，這會減少來 自總和塊60的誤差。
如果在系統(tǒng)啟動時各種熱源產(chǎn)生的熱不足以將誤差減小到 零，那么加溫算法會提供附加熱，基于源的充足量區(qū)分所述附加熱的 優(yōu)先次序。算法首先提供來自堆12的電池充電請求，這增加了線66 上的堆生熱。然后，算法打開冷卻液加熱器40以便提供在線70上的 堆加熱。算法還通過將氳提供到堆12的陰極側(cè)而為堆12增加熱，這 提供了在線72上的熱。此外，算法然后可以閉合壓縮機閥以便提供 在線74上的更大的壓縮機負栽。通過選擇性地控制各種熱源以提供 足夠的熱來滿足基于大氣溫度和冷卻液出口溫度的熱請求，算法可以 在系統(tǒng)啟動時盡可能快地更有效率地加熱堆12。
上述討論僅公開并描述了本發(fā)明的示例性實施例。在不脫 離所附權(quán)利要求限定的本發(fā)明的精神和范圍的情況下，本領(lǐng)域的技術(shù) 人員可以從這些討論及所附附圖和權(quán)利要求中很容易地得出各種變 化、修改和變型。
權(quán)利要求
1. 一種加熱燃料電池系統(tǒng)中的燃料電池堆的方法，所述方法包括確定用于將所述堆加熱到所需溫度的熱設(shè)定點；確定當前熱源是否會將所述堆加熱到所需熱設(shè)定點；以及基于所述熱源的加熱效率使用來自所述熱源的附加堆加熱并區(qū)分其優(yōu)先次序。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中確定所述熱設(shè)定點包括基于 大氣溫度和流過所述堆的冷卻液的溫度使用查找表來確定所述熱設(shè) 定點。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中確定當前熱源是否會將所述 堆加熱到所述熱設(shè)定點包括合并堆生熱、堆端電池加熱器生熱、冷卻 液加熱器生熱、被輸入到斜述堆的陰極側(cè)的氫的量以及壓縮機生熱。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中區(qū)分所述熱源的優(yōu)先次序包 括首先將負載加入到所迷堆從而給高壓電池充電。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其中區(qū)分所述熱源的優(yōu)先次序包 括打開冷卻液加熱器。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其中區(qū)分所述熱源的優(yōu)先次序包 括將氫輸入到所述燃料電池堆的陰極側(cè)。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其中區(qū)分所述熱源的優(yōu)先次序包 括增加壓縮機的壓縮機壓力比率，該壓縮機向所述堆提供陰極空氣。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中確定當前熱源是否會將所述 堆加熱到所述熱設(shè)定點包括將誤差信號確定為所需堆加熱和當前堆 加熱之間的差。
9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其中所迷誤差信號被送到比例積 分微分控制器以產(chǎn)生熱請求信號。
10. —種在系統(tǒng)啟動時加熱燃料電池系統(tǒng)內(nèi)的燃料電池堆的方 法，所述方法包括基于大氣溫度和堆冷卻液溫度確定將所述堆加熱到所需溫度的 熱i殳定點；確定當前熱源是否會將所述堆加熱到所述熱設(shè)定點；以及 確定誤差信號為所述熱設(shè)定點和當前堆加熱之間的差，以及 如果所述誤差信號指示出所述當然堆加熱不足以將所述堆加熱 到所述設(shè)定點則提供附加堆加熱。
11. 根據(jù)權(quán)利要求IO所述的方法，其中提供附加加熱包括通過加 熱效率區(qū)分所述熱源的優(yōu)先次序。
12. 根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其中區(qū)分所述熱源的優(yōu)先次序 包括首先將負載加入所述堆從而給高壓電池充電。
13. 根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其中區(qū)分所述熱源的優(yōu)先次序 包括然后打開冷卻液加熱器。
14. 根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其中區(qū)分所述熱源的優(yōu)先次序 包括然后將氫輸入到所述燃料電池堆的陰極側(cè)。
15. 根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其中區(qū)分所述熱源的優(yōu)先次序 包括然后增加壓縮機壓力比率。
16. —種在系統(tǒng)啟動時加熱燃料電池系統(tǒng)中的燃料電池堆的方 法，所述方法包4舌確定需要多少熱來將所述堆加熱到所需溫度； 基于加熱效率區(qū)分可以加熱所述堆的多個熱源的優(yōu)先次序；以及到所i所需溫度。
17. 根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其中確定需要多少熱包括基于 大氣溫度和流過所述堆的冷卻液的溫度來確定需要多少熱。
18. 根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其中區(qū)分所述熱源的優(yōu)先次序 包括區(qū)分如下的優(yōu)先次序使高壓電池充電的在所迷堆上的負栽、冷 卻液加熱器、向所述燃料電池堆的陰極側(cè)輸入氫以及增加向所述堆提 供陰極空氣的壓縮機的壓縮機壓力比率。
19. 根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，其中區(qū)分所述熱源的優(yōu)先次序 包括首先給所述高壓電池充電，然后打開所述冷卻液加熱器，然后向 所述燃料電池堆的陰極側(cè)輸入氬以及然后增加所述壓縮機壓力比率。
全文摘要
本發(fā)明涉及具有減少的效率損耗的燃料電池系統(tǒng)加溫策略。具體地，提供了一種在系統(tǒng)啟動時快速地且有效率地加熱燃料電池堆的方法。該方法基于各種堆熱源的效率來使用所述熱源并區(qū)分其優(yōu)先次序從而加熱堆?；诖髿鉁囟群投牙鋮s液溫度確定將所述堆加熱到所述溫度的熱設(shè)定點。然后，比較該設(shè)定點與通過正常系統(tǒng)啟動操作而工作的熱源所提供的堆加熱。如果需要更多的熱來達到所述設(shè)定點，則方法首先使用在負載使得燃料電池堆升溫處的堆功率給系統(tǒng)電池充電。如果仍需要附加加熱，則根據(jù)需要，該方法然后打開冷卻液加熱器，然后使少量氫流入陰極進入流內(nèi)從而提供燃燒，并且然后增加壓縮機負載。
文檔編號H01M8/04GK101399349SQ20081016566
公開日2009年4月1日 申請日期2008年9月24日 優(yōu)先權(quán)日2007年9月24日
發(fā)明者A·B·奧爾普, M·貝克, S·D·伯奇 申請人:通用汽車環(huán)球科技運作公司