专利名称：用于冷燃料电池系统操作的控制方法
技术领域：
与本发明总体相关的领域包括燃料电池、燃料电池部件、燃料电 池控制系统以及使用和操作它们的方法。
背景技术：
已经提出燃料电池作为许多应用的能源，例如作为车辆和类似物 的主要能源。为了满足用户在车辆应用中的期望，燃料电池应该能够
快速启动。在相对高的环境温度(例如大约2or;或以上)，可包括束缚 在一起的多个单个燃料电池的燃料电池组可被启动，并在合理的时间 内达到可接受的操作条件。在某些应用中，优选的操作温度可以是大
约80"C。
在相对低的温度下，例如大约-25t;的冰点以下的温度，由于在这 些温度下，总体电化学反应的速度显著降低，燃料电池组的快速启动 更加困难。这限制了可以从电池組得到的电流量以及电池组造成的热 量输出。燃料电池组的减小的输出会造成车辆驱动性能降低，以及减 緩加热内部车辆轿厢的速度、除霜机构操作的速度和类似情况。
发明内容
一个实施例包括操作具有燃料电池和提供空气到燃料电池的压缩 机的燃料电池系统的方法。该方法包括检测指示燃料电池温度的温度、 在检测的温度低于阈值时在去往燃料电池的空气流动路径中提供限 制、并且增加压缩机的速度以便提供所需的气流到燃料电池。在至少 某些应用中，增加压缩机的速度增加了从燃料电池吸取的功率，以便 为压缩机功能，并有助于增加燃料电池的热量。压缩机的增加的速度 还造成来自于压缩机的较热的空气流动，可进一步增加系统部件的温 度。
本发明的另一实施例包括燃料电池系统，包括至少一个燃料电池、 具有与燃料电池连通的输出端以便提供受压空气流动到燃料电池的压
缩机以及布置在压缩机输出端和燃料电池之间并且受压的空气从压缩
机流到燃料电池的至少一个流动控制器。流动控制器可以是一个或多
个阀，该阀提供空气流过阀的面积的可变限制。该系统还包括适用于
提供指示空气流到燃料电池的速度的信号的空气流动传感器、适用于 提供指示环境温度或燃料电池温度中的至少一个的信号的温度传感器 以及控制系统。控制系统可与空气流动传感器、温度传感器、压缩机 以及阀连通，并且能够提供信号到阀，以便在温度传感器提供指示温 度的信号低于阈值时增加空气流过阀的限制。控制系统还可提供信号 以便控制压缩机操作，从而即使阀减小空气流过其中的面积也将确定 的空气流动提供给燃料电池。
本发明的其它示例性实施例将从随后提供的详细描述中得以清 楚。应该理解到在披露本发明的示例性实施例的同时，详细描述和特 定的实例只用于说明目的，而不打算限制本发明的范围。
本发明的示例性实施例将从详细描述和附图中更加完整的理解，
附图中
图1示意表示改善燃料电池组的冷启动性能的控制系统；以及 图2是压缩机压力比例和空气质量流动速度的视图。
具体实施例方式
更加详细地参考付托图1表示例如可用于车辆应用的燃料电池功 率系统10的控制系统。燃料电池的结构及其控制可以是任何传统或随 后开发的形式。在图l所示的实施例中，燃料电池功率系统10包括至 少一个燃料电池或燃料电池组12。压缩机14被设置并通过电马达16 驱动。压缩机14将受压的空气流动提供给燃料电池组12的阴极侧， 并且此受压的空气流动可在加湿器中加湿，并且其压力通过压力调节 器或通过其马达的反馈控制器使用适当压力传感器46控制。受压空气 流动可经由设计成减小不希望的加热空气的温度的空气冷却器18提供 给燃料电池组12，使得去往燃料电池12的空气流动在燃料电池操作的 所需温度范围内。例如流动控制阀20、 22的一个或多个可变流动限制 器可布置在压缩机输出端和燃料电池组12之间，以便控制去往燃料电 池组12的空气流动的速度。在一个实施例中，控制阀22设置在围绕 加湿器32的旁通管线21内。
在所示实施例中，具有两个流动控制阀20、 22，其中一个阀20并 联连接到另一阀20和阴极加湿器32上。因此，从压缩机14流动的输 出空气的一部分经过一个阀20以及阴极加湿器32，同时分开部分旁通
阴极加湿器32并经过第二阀22。在所示实施例中，被分开的空气流在 阴极加湿器32的下游汇合，并且在单个导管24内输送到燃料电池组， 虽然也可采取其它配置。
在一个应用中，控制系统25包括可操作地与压缩机14、燃料电池 组12、空气流动控制阀20、 22连通并具有一个或多个传感器的一个或 多个控制器26，以便控制燃料电池功率系统操作的至少某些方面。控 制器26可包括可以连通在一起的一个或多个分开的控制单元，或者控 制器可包括至少控制此后描述的功能的单个控制器。可用于燃料电池 功率系统10的示例性传感器包括将指示进入燃料电池组12的空气温 度、燃料电池组12本身的温度或者环境温度或其任何组合的信号提供 给控制器26的温度传感器28。另一示例性传感器包括将指示从压缩机 14到燃料电池组12的空气流动速度的信号提供给控制器26的空气流 动传感器30。
在燃料电池功率系统10受到相对冷的环境温度时，燃料电池组12 的温度可变得低于最佳功率供应操作所需的操作温度。在温度传感器 28检测的温度低于阈值时，控制器26部分关闭至少一个空气流动阀 20、 20,以便减小经过一个或两个阀的有效流动面积。例如，阈值可 以是燃料电池组12的所需操作温度以下的任何适当的数值。减d、一个 或两个阀20、 22的有效流动面积趋于增加压缩才几和阀20、 22之间的 空气流动，并且减小流动速度。为了避免将增加压力和减小流动速度 的空气提供给燃料电池组12，控制器26还将增加其转动速度的信号提 供给压缩机马达16。以此方式，压缩机14需要更多能量来将相同数量 的空气提供给燃料电池组12。
由于压缩机14从燃料电池组12吸取功率，电池组必须供应另外 的功率以便在增加的速度和压力比例的情况下运转压缩机。由于燃料 电池组12的效率在冷温度操作期间很低，另外的废弃热量通过电池组 12产生，产生用于压缩机马达16的额外功率。因此，通过电池组l2 产生的废弃热量有助于电池组12加热的增加速度以及燃料电池系统 10的随后更加有效的操作。例如，如图2所示，可以使用显著更高的 压力比例，同时保持在波浪线40以下。在70g/s的正确质量流速下， 一个应用中的压缩才凡14可以大约3. 5kW的功率操作，并且在正常操作 条件下具有大约13X:的输出空气温度，如标定点42所示。在空气流动
受到限制并且压缩机压力比例增加时，压缩机可以大约11.63kW的功 率以及大约46"C的输出空气温度操作；如标定点44所示。因此，在一 个示例性应用中，与空气流动阀20、 22在用于燃料电池系统10正常 操作的正常位置相比，压缩机14需要8千瓦(kW)以上的另外功率来 推动同样浓度的氧经过受到限制或部分关闭的空气流动阀20、 22并且 到达燃料电池组12。并且电池组12产生增加数量的废弃热量来产生用 于压缩机马达16的额外功率。
如上所述，增加的压缩机速度和功率消耗提供从压缩机14排出的 空气的较高温度。此较热的空气经过空气冷却器18,并且有助于加热 空气冷却器18和其中的任何冷却流体。被加热的流体可循环经过燃料 电池组件12以便使其加热。燃料电池组12还在增加温度的空气流输 送到此时进一步加热。在图2所示的实例中，系统可被控制，使得与 没有使得阀20、 22节流的功率要求相比，需要8kW以上的另外功率来 驱动压缩机马达16以便在启动过程中将相同或类似的质量的空气输送 到燃料电池组12。在此实例中，中驱动马达的8kW中，大约70%去往 空气流，或者大约是5.6kW。
控制系统25可使用向前供应模式来计算空气流动阀20、 22的空 气流的位置或相对限制，以便在冷启动或冷温度条件下使得压缩机压 力比例最大。在某些应用中，阀20、 22的位置可作为压缩机马达16 的被确定或所需压力比例来控制。压缩机压力传感器46还可用来根据 出口和/或压缩机上的压力来提供空气流动阀的位置的反馈控制，以便 确定阀的所需位置。通过使得压缩机压力比例最大或增加，操作压缩 机马达16所需的另外能量数量以及从压缩机14排出的空气温度的相 应增加可被控制，以有助于燃料电池功率系统10的加热。为了将去往 燃料电池组12的空气流动保持恒定或在所需范围内，压缩机马达16 最好以对于空气流动传感器30进行闭环反馈控制来操作，使得压缩机 速度自动增加，以便补偿空气流动阀20、 22的部分关闭。由于两个空 气流动岡20、 22的总体有效面积确定压缩才几14的压力比例，压缩才凡 控制回路还可独立于RH控制。
因此，通过节流压缩才几14和燃料电池组12之间的阀20、 22，并 且接着增加压缩机14的输出，使得燃料电池组l2接收所需空气流动 (例如作为确定的空气流动速度的函数控制的流动速度)，另外的能量可从电池组12吸取，以便为压缩机14供能，并且可以增加温度的空 气流动的形式输送到电池组12。这改善了燃料电池系统10的冷启动性 能和冷温度操作，并且增加燃料电池功率系统温度增加的速度，由此 减小低温燃料电池组操作的时间。
本发明的实施例的以上描述只是示例性的，并且因此其变型不认 为是偏离本发明的精神和范围。通过实例而没有限制，增加压缩机输 出空气流动的限制可以部分关闭一个或多个阀以外的方式实现，例如 通过在希望限制的空气流动时，将空气流完全或部分引导经过不同路 径。当然，根据需要，可以采用其它的配置。
权利要求
1.一种操作包括燃料电池和将空气提供给燃料电池的压缩机的燃料电池系统的方法，该方法包括检测指示燃料电池的温度的温度；在检测的温度低于阈值时从压缩机到燃料电池的空气流动路径中提供限制；以及增加压缩机的速度，以便将所需空气流动提供给燃料电池。
2. 如权利要求l所述的方法，其特征在于，燃料电池系统还包括 布置在压缩机和燃料电池之间的流动控制器，并且在空气流动路径中 提供限制通过流动控制器来实现。
3. 如权利要求2所述的方法，其特征在于，流动控制器包括在空 气流动路径中提供可变限制的阀，减小空气流过的截面面积。
4. 如权利要求3所述的方法，其特征在于，还包括检测压缩机上 的压力，并且作为压缩机的被确定压力比例的函数，来控制限制。
5. 如权利要求l所述的方法，其特征在于，还包括检测燃料电池 处的空气流动速度，并且作为被确定空气流动速度的函数来控制压缩 机的输出。
6. —种燃料电池系统，包括 至少一个燃料电池；压缩机，具有与燃料电池连通的输出端，以便将受压的空气流提 供给燃料电池；至少一个流动控制器，布置在压缩机输出端和燃料电池之间，并 且来自于压缩机受压的空气流从中流到燃料电池，流动控制器为流过 其中的空气提供面积的可变限制；空气流动传感器，适用于提供指示去往燃料电池的空气流动速度 的信号；温度传感器，适用于提供环境温度或燃料电池温度中的至少一个 的信号；以及控制系统，与空气流动传感器、温度传感器、压缩机和流动控制 器连通，控制系统将信号提供给流动控制器，以便在温度传感器提供 指示低于阈值的温度的信号时，增加流过流动控制器的空气限制，并 且控制系统提供控制压缩机操作的信号，以便即使在流动控制器减小空气流过其中的面积时，也将确定的空气流动速度提供给燃料电池。
7. 如权利要求6所述的系统，其特征在于，燃料电池与压缩机连 通，以便将功率提供给压缩机，从而支持压缩机的操作。
8. 如权利要求7所述的系统，其特征在于，在流动控制器为流过 其中的空气提供减小面积时，控制系统造成压缩机提供具有较高压力 比例的输出流动速度，增加压缩机从燃料电池的功率吸取。
9. 如权利要求8所述的系统，其特征在于，压缩机提供具有较高 压力比例的输出流动速度，增加了从压缩机排出的空气的温度。
10. 如权利要求6所述的系统，其特征在于，所述至少一个流动 控制器包括相互平行布置的两个岡，以及布置在所述两个之一和燃料 电池之间的加湿器，以便控制流过其中并到达燃料电池的空气的湿度。
11. 如权利要求6所述的系统，其特征在于，控制系统使用向前 供应控制，以便控制通过所述至少 一个流动控制器提供的限制。
12. 如权利要求11所述的系统，其特征在于，通过控制流过所述 至少 一 个流动控制器的空气，控制系统使得压缩机压力比例最大。
13. 如权利要求6所述的系统，其特征在于，还包括提供指示压 缩机的输出压力的信号的压力传感器，压力传感器与控制系统连通。
14. 如权利要求9所述的系统，其特征在于，还包括布置在压缩 机和燃料电池之间的空气冷却器，并且其中来自于压缩机的增加的空 气温度输出流过空气冷却器，并且热量传递到流过空气冷却器的流体。
15. —种方法，包括为具有燃料电池的压缩机供能，以便将空气流动提供给燃料电池； 检测指示燃料电池温度的温度；在被检测的温度低于阈值时在从压缩机到燃料电池的空气流动路 径内提供限制；通过从燃料电池到压缩机提供另外的功率，增加压缩机输出，以 便将所需的空气流动速度提供给燃料电池。
16. 如权利要求15所述的方法，其特征在于，限制包括减小布置 在压缩才几和燃料电池之间的阀的有效流动面积。
17. 如权利要求15所述的方法，其特征在于，还包括检测压缩机 上的压力，并且作为压缩机上的压力的函数来控制对于去往燃料电池 的空气流动的限制。
全文摘要
本发明涉及用于冷燃料电池系统操作的控制方法，该方法包括检测指示燃料电池的温度的温度；在检测的温度低于阈值时从压缩机到燃料电池的空气流动路径中提供限制；以及增加压缩机的速度，以便将所需空气流动提供给燃料电池。
文档编号H01M8/04GK101345320SQ20081013610
公开日2009年1月14日 申请日期2008年7月9日 优先权日2007年7月9日
发明者B·J·克林格曼, M·C·柯克林, P·C·梅农 申请人:通用汽车环球科技运作公司