燃料電池系統(tǒng)及其控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及燃料電池系統(tǒng)以及控制燃料電池系統(tǒng)的方法，該系統(tǒng)和方法控制被供給到燃料電池堆的空氣的濕度。
【背景技術(shù)】
[0002]高分子電解質(zhì)膜燃料電池系統(tǒng)已經(jīng)被廣泛地用于車(chē)輛。在高分子電解質(zhì)膜中，水被用于將氫離子(H+)傳遞到設(shè)置在空氣電極和陽(yáng)極之間的膜，并且在電解質(zhì)膜內(nèi)維持預(yù)定的水含量，這與燃料電池的性能相關(guān)。
[0003]在供給的水低于預(yù)定水平的干燥條件下，電解質(zhì)膜中的水含量減小，這增加了電極的電阻并使燃料電池的性能下降。在水量的供給大于預(yù)定水平的溢流條件下，水蒸汽可在將空氣和氫氣分別供給到空氣電極和陽(yáng)極的通道中冷凝，并且反應(yīng)氣體可能不能供給電極，從而導(dǎo)致燃料電池的電池電壓的大幅度下降。
[0004]在相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域中，傳統(tǒng)方法是根據(jù)燃料電池的電極中的水含量或供給空氣的濕度，調(diào)節(jié)被供給到燃料電池的空氣和氫氣的壓力和增壓比(supercharging rat1)。盡管已經(jīng)有效地使用了調(diào)節(jié)空氣壓力的方法，但由于基于喘振(surging)和堵塞(chocking)條件以及空氣流量，可能限制通過(guò)壓縮機(jī)或鼓風(fēng)機(jī)供給的空氣的壓力范圍，因此該效果可能不足。
[0005]進(jìn)一步地，在控制電極膜中的水含量的傳統(tǒng)方法中，在燃料電池堆的干燥條件下，可增大空氣壓力且減小增壓比，并且在燃料電池堆中包含高水含量的溢流條件下，可減小空氣壓力且增大增壓比。
[0006]可基于以下假設(shè)進(jìn)行這種控制。由于水的飽和蒸汽壓取決于溫度，因此蒸汽的分壓可在特定溫度和濕度下為恒定。因此，當(dāng)增大供給空氣的壓力時(shí)，用于維持預(yù)定濕度水平的每單位空氣質(zhì)量的水量會(huì)減少。這樣，即使用少量的水，也能夠提高供給空氣的濕度。另一方面，當(dāng)減小供給空氣的壓力時(shí)，可能增加用于維持預(yù)定濕度水平的水量。
[0007]圖1示出相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域中的示例性壓縮機(jī)的性能曲線。壓縮機(jī)用于將空氣供給到燃料電池的空氣電極。由于喘振和堵塞，壓縮機(jī)僅能在可操作范圍內(nèi)控制空氣的壓力和流量?？刹僮鞣秶冈趫D1中在喘振曲線以下和在堵塞曲線之上的區(qū)域。如圖1所示，根據(jù)相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域，當(dāng)調(diào)節(jié)燃料電池中的水含量以控制供給空氣的壓力和流量時(shí)，可在可操作范圍內(nèi)進(jìn)行空氣的壓力和流量控制。因此，效果可能不足。具體地，當(dāng)減小被供給到燃料堆的空氣的流量時(shí)，由于系統(tǒng)的限制，空氣壓力不能增加到超過(guò)圖1的喘振曲線的點(diǎn)的壓力。此外，由于可通過(guò)被施加到連接到延伸到空氣電極的管道的部件的背壓而確定最小操作曲線，因此可在喘振曲線以下操作范圍的條件下，在有限壓力范圍內(nèi)控制空氣壓力。
[0008]前述僅僅旨在幫助理解本發(fā)明的背景，并且不旨在表示本發(fā)明落入本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域的范圍內(nèi)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]本發(fā)明提供一種燃料電池系統(tǒng)以及控制燃料電池系統(tǒng)的方法，其迅速地并更準(zhǔn)確地控制燃料電池系統(tǒng)中被供給到燃料電池堆的空氣的濕度。
[0010]在一個(gè)方面中，用于車(chē)輛的燃料電池系統(tǒng)可包括:壓縮機(jī)，其被配置成壓縮將被供給到燃料電池堆的空氣；閥，其安裝在從壓縮機(jī)連接到燃料電池堆的供氣管中；旁通管，其在閥處分支并連接到燃料電池堆的排氣管；以及控制器，具體地，當(dāng)需要將從壓縮機(jī)供給的空氣壓力增加到高于喘振曲線上的點(diǎn)的壓力水平時(shí)，所述控制器被配置成增大從壓縮機(jī)供給的空氣的壓力，并通過(guò)操作所述閥經(jīng)由旁通管排出部分空氣。
[0011]燃料電池系統(tǒng)可進(jìn)一步包括加濕器，其可安裝在供氣管的閥的下游。加濕器可包括:供給部，其可連接到壓縮機(jī)和供氣管以將水分供應(yīng)到供給空氣，并且可被配置成將加濕的空氣供給到燃料電池堆；以及排氣部，其可被配置成接收從燃料電池堆排出的空氣、將來(lái)自接收空氣的水分供應(yīng)到供給部，并將空氣排放到排氣管。
[0012]當(dāng)以控制流量將空氣供給到燃料電池堆時(shí)，響應(yīng)于確定將壓縮空氣的目標(biāo)壓力增大到高于壓縮機(jī)的喘振曲線上的點(diǎn)的壓力，控制器可被配置成操作壓縮機(jī)以便以大于控制流量的流量從壓縮機(jī)供給空氣，并操作閥經(jīng)旁通管排出一部分空氣。這樣，可滿(mǎn)足被供給到燃料電池堆的空氣的調(diào)節(jié)流量以及壓縮空氣的目標(biāo)壓力兩者。如本文所使用，術(shù)語(yǔ)“目標(biāo)壓力”是指用于維持預(yù)定濕度水平的供給空氣的壓力。本發(fā)明的另一個(gè)方面提供用于控制燃料電池系統(tǒng)的方法。該方法可包括:比較從壓縮機(jī)供給的壓縮空氣的目標(biāo)壓力和壓縮機(jī)的喘振曲線的壓力；以及當(dāng)目標(biāo)壓力大于喘振曲線的壓力時(shí)，通過(guò)操作閥經(jīng)旁通管排出一部分空氣。
[0013]在排出空氣期間，可將從壓縮機(jī)供給的壓縮空氣的流量增大到壓縮機(jī)的壓力可達(dá)到目標(biāo)壓力的水平，并且可通過(guò)以對(duì)應(yīng)于被供給到燃料電池堆的空氣的調(diào)節(jié)流量和從壓縮機(jī)供給的壓縮空氣的流量之間的差的程度打開(kāi)閥，經(jīng)旁通管排出一部分空氣。
[0014]該方法可進(jìn)一步包括:計(jì)算被供給到燃料電池堆的空氣的調(diào)節(jié)流量以及從壓縮機(jī)供給的壓縮空氣的目標(biāo)壓力；并可比較目標(biāo)壓力和極限壓力。如本文所使用，術(shù)語(yǔ)“極限壓力”是指在圖1中的壓力比較中，控制流量下的喘振曲線上的壓力值或點(diǎn)。
[0015]在排出空氣期間，當(dāng)目標(biāo)壓力大于極限壓力時(shí)，可操作閥以經(jīng)旁通管排出一部分空氣。此外，在排出空氣期間，可將從壓縮機(jī)供給的空氣的流量增大到其中極限壓力可達(dá)到目標(biāo)壓力的水平，并且可通過(guò)以對(duì)應(yīng)于被供給到燃料電池堆的空氣的調(diào)節(jié)流量和從壓縮機(jī)供給的壓縮空氣的流量之間的差的程度打開(kāi)閥，經(jīng)旁通管排出一部分空氣。
[0016]根據(jù)本發(fā)明的各種示例性實(shí)施例，燃料電池系統(tǒng)以及控制具有如上所述結(jié)構(gòu)的燃料電池的方法，可通過(guò)改變被供給到燃料電池的空氣的壓力和流量，有效地調(diào)節(jié)燃料電池的電極膜中的水含量。另外，可通過(guò)維持可保持電極膜中的預(yù)定濕度水平的條件，改善燃料電池的耐用性和性能。此外，即使在可限制燃料電池系統(tǒng)操作的較高溫度操作條件下，仍可通過(guò)有效地調(diào)節(jié)被供給到燃料電池的空氣的濕度來(lái)維持燃料電池的性能。此外，能夠滿(mǎn)足在諸如相當(dāng)高的溫度、高速的惡劣操作條件中以及爬坡能力條件中的性能。
【附圖說(shuō)明】
[0017]本發(fā)明的以上和其他目的、特征及其他優(yōu)點(diǎn)將從以下結(jié)合所附附圖的詳細(xì)描述中得到更加清楚的理解，其中:
[0018]圖1示出相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域中的示例性壓縮機(jī)的性能曲線；
[0019]圖2說(shuō)明根據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施例的用于車(chē)輛的示例性燃料電池系統(tǒng)；
[0020]圖3示出根據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施例的用于控制車(chē)輛的示例性燃料電池系統(tǒng)的示例性方法；以及
[0021]圖4示出根據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施例的用于車(chē)輛的示例性燃料電池系統(tǒng)的示例性壓縮機(jī)的性能曲線。
【具體實(shí)施方式】
[0022]本文所用的術(shù)語(yǔ)僅用于描述特定實(shí)施例的目的，并非旨在限制本發(fā)明。如本文所使用，單數(shù)形式“一”、“一種”和“所述”也旨在包括復(fù)數(shù)形式，除非上下文另有明確說(shuō)明。應(yīng)當(dāng)進(jìn)一步理解的是，術(shù)語(yǔ)“包括”和/或“包含”，當(dāng)在本說(shuō)明書(shū)中使用時(shí)，指定所陳述的特征、整體、步驟、操作、元素和/或部件的存在，但并不排除一個(gè)或多個(gè)其它特征、整體、步驟、操作、元素、部件和/或其集合的存在或添加。如本文所用，術(shù)語(yǔ)“和/或”包括關(guān)聯(lián)的列出項(xiàng)目中的一個(gè)或多個(gè)的任何與全部組合。
[