专利名称：电池组末端电池加热器控制方法
技术领域：
0001沐发明总体上涉及一种用于控制流向分离燃料电池组(split foel cell stack)
的糊电池加热器的电流的系统和方法，更具体地，涉及一种用于控制流向分 离燃料电池组的末端电池加热器的电流的系统和方法，其中控制末端电池加热 器以保持末端电池中的预定温度高于燃料电池组的工作温度。
0002氢是一种非常有吸弓l力的燃料，因为它是清洁的并且肖滩用于在燃料 电池中有效地产生电。i(M料电池是一种电化学體，其包括阳极和阴极以及 位于其间的电解质。阳极接收氢气而阴极接收誠空气。在阳极中氣气飾产 生自由质子和电子，质子穿过电解质到达阴极。质子在阴极中与氧和电子发生 反应而产^7jC。来自阳极的电子不能舰柳质，因此在传蹈l朋fc前被引
导皿负iy6a行工作。
0003质子交换M料电池(PEMFC)是用于车辆的通用燃料电池。PEMFC 通常包括固相聚^l电解质质子导电膜，例如全氟磺酸膜。阳极和阴极一般包 括负tera粒上并且与离聚物混合的精细分散的催，粒，通常是铀(Pt)。 催化混合物沉积鄉的相对侧面上。阳极催化混，、阴极催化混糊和膜的 组合形皿电极组ff(MEA)0
0004
一些燃料电池典型地组合^t料电池组以产生期望的电力。燃料电池 组接收阴极反应气体，典型地是&E縮机强迫穿过电池组的空气流。并不是所 有的氧都被电池组消耗，而是一些空气作为阴t鹏输出，阴，鹏气可能包括 作为电池组副产品的7K。燃料电池组同機收流入电池组阳极侧的阳极氢反应 气体。电池组同样包括Jt4卩液流动的流动M。
0005燃料电池组包括一连串置于电池组中的多个MEAs之间的双极板，其 中双极板和MEAs置于两个末端板之间。双极板包括电池组中的相邻燃料电池 的阳极侧和阴极侧。在双极板的阳极侧上设有阳极气舰动鹏以使得阳极反
极反应气Mi向M^MEAo —个末端板包括阳极气，动通道，而另一个末 端板包括阴极气鄉动鹏。双极板和糊板都由导电材料制成，例如不糊 或者导电复合材料。末端板将燃料电池产生的电流传导出电池组。双极板还包 括,液舰的流动通道。
0006对于汽车用途，典型W^400个燃料电池以麟期望的电能。由于 在汽车燃料电池系统设计中电池组需要如此多的燃料电池，从而4I^佳有效地提
供相等的氢气M31并联的400 ，料电池，所以电池组有时分成两个次电池 组，旨包括大约200个燃料电池。
0007燃料电池内的膜需要具有特定的相对湿度，使得贯穿膜的离子电阻足 够低以有效地传导质子。力PM可以来自电池组的副产品7域者外部潮湿。舰 流动鹏的反应气舰于膜具有干燥作用，在流动ffii!A口^M著。同样， 由于膜相对潮湿和副产品水而在流动通道内部的7jC滴累积可能阻止反应气, 流动鹏中流动，并导致电池失效，由雌响电池组的稳定性。反应气條动 鹏中水的累积在低电池组输出负载的情况中尤其麻烦。
性能。具体而言，末端电mm露于环^^Jt且因此具有SH梯度，这使得它们 在较低的温度中工作，结果导致对流热损失。因为末端电、M常比电池组中其 余的电池更冷，所以气态水更容易凝结成液态水使得^^电池中具有更髙的
相外鹏，其导ifoR滴更容易^W电池流动鹏中形成。itt^卜，招氏电池组 负载中，有效地将水推到流动M外的反应气流量显著减小。同样，在低电池 组负载瞎况下7t^液MJt陶氐，其斷氐了电池组的、鹏并且通常增加了反应气
流的相对HJt。
0009本领域中已知将具有加热电阻丝的加热^电池布置在单极板和MEA 之间以补偿外流辦员耗。这些已知的系^13im测流到电池勝卜部的辨P液温 度而通常试图保持，电池旨与电池组中其它电池的、^S—致。然而，即使 添加这种加麟， 电池较低的电池顿仍然是问题。
发明内容
0010根据本发明的教导，公JF^种燃料电池系统， ^料电池系统中的燃 料电池组的末端电池中使用末端电池加热器，其始终保持^电池的,高于 电池组的工作、鹏，以M^、末端电池中的水。在一个实船案中，贯穿^h燃 料电池组的输出功率范围，鄉电池的、鹏保持在80'C—85'C的范围内。根 据本发明另一个实施方案， 电池是电耦合串联的，并且选择用于控制 电池加热器的控讳'腊号以将最热的末端电池加热到期望'鹏。0011结合附图从下列描述和附加权利要求中本发明的附加特点将变得显而
易见。
0012图1是包括具有末端电池加热器的分离电池组的燃料电池系统的示意 框图；和
0013图2是根据本发明的一个实旨^于控制图1中示出的燃料电池系 统的分离电池组中的末端电池加热器的控制系统的框图。
具体实施例方式
0014涉及1顿用于控制分离燃料电池组中糊电池加热^t的腦电池 系统的下列本发明实施方案的讨论实质上仅Ji^例性的，并且不拟P艮制本发明 或其应用或用途。
0015图1是燃料电池系统10的示m图，其包括第一分离燃料电池组12 和第二分离M电池组14。通常ililE^I/K未示出)，分离电池组12在线路16 上接收阴极输入空气流而分离电池组14在线路18上接收阴极输入空气流。在 线路20上从两个分离电池组12和14中输出阴极废气。分离电池组12和14 使用阳极流体，其中皿分离电池组电池12和14流向后面和前面的阳极反应 气体以预定周期移动。因此，在线路22上阳极反应气体^A和流出分离电池 组12而在线路24上流入和流出分离电池组14。阳极连接线路26连接分离电 池组12和14中的阳，rait。
0016分离电池组12包括布置在分离电池组12 ^电池内部的末端电池加 热器28和30。同样地，分离电池组14包括布置在分离电池组14末端电池内 部的末端电池加热器32和34。 ^电池加热器28—34布置在分离电池组12 和14 电池中的^1^ ,例如斜及板和MEA之间，使得齡分离电池组 12和14包括两个末端电池加热器。加皿28-34可以是用于这个目的的任何 合适的加热器，例如电阻加热器。正如本领域中熟知的，y^P液流过冷却剂回 路36及分离电池组12和14中的辨卩液流动鹏以控制它们的工作鹏。
0017根据本发明，控制末端电池加M28-34使得它们的、iat保持在预定
、鹏，该预定、鹏比燃料电池系统10的工作、驗髙。具体而言，舰^31冷 却剂回路36的7賴P液的、MJt^第盼离电池组12和14的工作驗。在低电 池组负载中，冷却液的皿可以降到低至60'C，而在高电池组负载中，冷却液 温度可以升至80。C。根据本发明，由末端电池加热器28-34提供的温度并不 依赖于冷却液MJt，而，持在贯穿整个功率范围的高温和系统10的冷却液
0018本领域中已知用于燃料电池的某纖的玻璃化转变鹏为约90'C。根 据本发明的一个实 案，控制^电池加热器28 -34使得分离电池组12和 14的末端电池M在8(TC-85'C范围内，和尤其是82'C。如果分离电池组12 和14的电流密度小于0.2 Acm2,因为糊电池加热器28-34在这种低负辦卩仅 添加附加负载的情况下不是有效的，所以将末端电池加 范围中的鹏是尤 其有效的。船卜，如果y衬卩液鹏降到低于60'C，因为在较低驗中存在很多 水，其能轻易地阻塞末端电池中的流动通道，在范围中加热末端电池是同## 别有效的。同样加繊28-34添加负载至係统中，其对尽快地将系统10加热 到系统启动的理想工作,是有帮助的。
0019通常来说，末端电池加热器28-34是串联电连接的。因为系统10使 用分离电池组12和14中阳极流动mit^间的流动变化，分离电池组12和14 将具有潮湿端和干燥端，取决于 氢气被传^卿|5个电池组中。分离电池组 12和14的潮湿端电池倾向于与分离电池组12和14的干燥端电池加热不一样 快。这导致緲卜的7j^存在于潮湿端，其必须通过电池加繊加热，这导致需要 更多的能量以加繊湿端。
0020为了克月,于糊电池加热器串联的这个问题，本发明建议感i^W 电池的,并及时g最热的末端电池皿合适的电流到任何特定点的期望温度。
0021图2是控制系统40的框图，控制系綱于控制糊电池加热器48的 温度，代^^电池加热器28-34。在输入线42处提供用于末端电池力鹏 48的期望温度设置点信号给比较器44。比较器44的输出信号縱给比例-积分 -微辦10)控审藤46，麟體点信号转化为适舒控审鹏电池加繊48的 脉冲宽度调1[(PWM)^号。在高脉冲过程中PWM信号导1S^端电池加热器48 提供加热并在低脉冲，中关闭。旨末端电池加热器28 - 34包括例如热电偶
的鍵传 ,其提供指示末端电池、鹏的信号。例如，输出线50给分离电 池组12的干燥端提供、皿信号，输出线52给分离电池组12的潮湿端提供温 度信号，输出线54给分离电池组14的千燥端JH^at信号和输出线56给分 离电池组14的潮湿端皿M信号。将所有这^t号提供给最大iMb理器58， 其衫隨象征最热末端电池、SJt的最高温度信号，该信号在线路60上输入到比 较器44中。比较器44 ，误，号给温度设置点和实际、,之间不同的PID 控带勝46，使離制所有末端电池加繊48到最热末端电池的驗。
0022在其它实施方案中，末端电池加热器28-34可能不是串联的，但是其 被独立控制。在实施方案中，控制系统可能包括用于^末端电池加热器的PID 控制器，使得它们育滩被彼此^^控制。此外，对于包括两个末端电池加热 器的单一电池组设计，控制末端电池加热器的,适用。
0023±^讨论仅仅公开和描述了本发明的典型实 案。本领^^:人员 在不背离随后权禾腰求中限定的本发明范围和樹中的情况下肖^从这种讨论和 附图以及权利要求中做出各种变化、，和变动。
权利要求
1、一种燃料电池系统，包括包括第一末端电池和第二末端电池的燃料电池组；布置在第一末端电池中的第一末端电池加热器和布置在第二末端电池中的第二末端电池加热器；和控制器，所述控制器提供控制信号给第一和第二末端电池加热器使得第一和第二末端电池的温度保持在高于燃料电池组工作温度的温度。
2、 根据权利要求1的系统，其中控帝幡控制^电池的MJt在80D-85 'C的范围内。
3、 根据权利要求2的系统，其中控铜J^制，电池的,为82'C。
4、 根据权利要求1的系统，其中第一和第二鄉电池加繊是电齢串 联的，所鹏制器选择用于第一和第二鄉电池加繊的控帝腊号，所述加热 器加热末端电池到最热末端电池的期望温叟。
5、 根据权利要求4的系统，其中第一和第二末端电池包括MJt传感器， 所述、鹏传S^供温度信号给指示末端电池鹏的控伟幡，使得基于最热末 端电池的鹏肖嫩加热，电池。
6、 根据权利要求l的系统，其中如果辨P液温叟是60'C或;M低，则控制 器控制第一 和第二末端电池加，以加热末端电池到比用于冷却电池组的辨卩 液,髙20'C的旨。
7、 根据权利要求l的系统，其中如果电池组的电流密度是0.2 Acrtf或更 小，贝啦伟攞控制第一和第二糊电池加繊以加热末端电池到比用于冷却电 池组的)ti卩液皿高20'C的SJt。
8、 根据权利要求1的系统，其中贯穿电池组的整个功率范围控制器保持 末端电池的,高于燃料电池组的工作温度。
9、 一种燃料电池系统，包括包括第一末端电池和第二，电池的第一分离电池组； 包括第三末端电池和第四末端电池的第二分离电池组； 布置在第一末端电池中的第一末端电池加热器、布置在第二末端电池中的 第二末端电池加热器、布置在第三末端电池中的第三末端电池加热器禾蹄置在 第四末端电池中的第四末端电池加热器；和用于控制第一、第二、第三和第四末端电池加热器以控制第一、第二、第 三和第四末端电池、鹏的控制器，所述控制鹏供控制信号给第一、第二第 三和第四糊电池加热器，使得保持第一、第二第三和第四末端电池的鹏 始鄉持高于第一和第二分离电、鹏的工怍鹏。
10、 根据权利要求9的系统，其中当辨卩液的、驗是60'C或更^^第 一和第二分离电池组上负载是0.2 AcitfsS^低时，控库幡加热第一、第二第 三和第四末端电池的温度到比Jt4卩液温度高20'C的亂度，该,液冷却第一和 第二分离电池组。
11、 根据权禾腰求9的系统，其中控库i鹏制鄉电池的鹏在80'C-85 。C的范围内。
12、 根据权利要求ll的系统，其中控带J^制末端电池的温度为82t:。
13、 根据权利要求9的系统，其中第一、第二、第三和第四末端电池加热 器是电耦合串联的，所述控制器选择用于第一、第二、第三和第四末端电池加 热器的控制信号，该末端电池加热器加热末端电池到最热末端电池的期望温度。
14、 根据权利要求13的系统，其中第一、第二第三和第四末端电池包 括，传自，所it温度传感tm供旨信号给指示末端电池温叟的控制器， 使得控制器兽辦基于最热鄉电池的、鹏加热糊电池。
15、 一种用于控律鹏料电池组中^电池,的方法，该方,括^^料电池组的 电池中提供糊电池加热器；和 控制^电池加^^使得^电池的,高于燃料电tM的工作,。
16、 根据权利要求15的方法，其中控伟抹端电池加繊包括控制 电 池加热器到具有80'C - 85 'C范围内的温度。
17、 根据权利要求16的方法，其中控制糊电池加繊包括控制糊电 池加热器到具有82 'C的温度。
18、 根据权利要求15的方法，还包括^ij末端电池的,和基于最热末 端电池而控制末端电池的,。
19、 根据权利要求15的方法，其中如m^iP、般60'C或更低或奮麟电 池组的输出负载是0.2 Acm2鞭少，贝啦衝鹏电池加热器包括控制糊电池 加 ，使得末端电池的温度比辨卩燃料电池组的冷却液的温度高20'C 。
20、根据权利要求15的方法，其中控制末端电池加舰使得末端电池的 温度高于燃料电池组的工作温度包括贯穿旨电池组的功率范围保持末端电池 的M高于燃料电池组的工作^Jt。
全文摘要
一种燃料电池系统，其在燃料电池系统中的燃料电池组的末端电池中使用末端电池加热器，其始终保持末端电池的温度高于电池组的工作温度，以减少末端电池中的水。在一个实施方案中，贯穿燃料电池组的整个输出功率范围，末端电池的温度保持在80℃-85℃的范围内。根据本发明另一个实施方案，末端电池是电耦合串联的，并且选择用于控制末端电池加热器的控制信号以将最热的末端电池加热到期望温度。
文档编号H01M8/04GK101098023SQ20071013883
公开日2008年1月2日 申请日期2007年6月27日 优先权日2006年6月27日
发明者A·B·阿尔普, D·A·阿瑟, J·穆斯罗 申请人:通用汽车环球科技运作公司