系统水平衡的制作方法
【专利摘要】示例性系统水平衡方法包括从系统排出水蒸汽以及响应于该系统可用的水量来改变该排出。
【专利说明】系统水平衡
【技术领域】
[0001]本公开大体涉及水平衡，并且更具体地涉及维持燃料电池系统内的水平衡。
现有技术
[0002]燃料电池系统是公知的。一种示例性燃料电池系统包括设置成电池堆的多个单独燃料电池。每个单独燃料电池具有被置于质子交换膜的任一侧上的阳极和阴极。例如氢的燃料被供应到质子交换膜的阳极侧。例如空气的氧化剂被供应到质子交换膜的阴极侧。各个燃料电池在操作期间产生水。
[0003]一些燃料电池系统使得液体水移动通过燃料电池组件，以便除去热能并水合燃料电池。液体水的供应源可能是有限的，尤其是在便携燃料电池系统的情况下。如果燃料电池接收到不足量的液体水或者排出过多水蒸汽，则燃料电池会过热或者由于干涸而失效。平衡燃料电池系统内的水避免了过热和干涸，并且有助于燃料电池系统高效地操作。除燃料电池系统以外的系统也可能需要水平衡。
【发明内容】
[0004]示例性系统水平衡方法包括:从系统排出水蒸汽，并且响应于该系统可用的水量来改变该排出。
[0005]示例性燃料电池水平衡方法包括:探测燃料电池组件可用的水量并且响应于该探测来限制从燃料电池排出的水蒸汽。
[0006]示例性燃料电池组件包括燃料电池和控制器。燃料电池从供应源接收水。控制器响应于供应源内的水量选择性地改变从燃料电池传送的水蒸汽的量。
【专利附图】
【附图说明】
[0007]本领域的技术人员从下述具体描述中将显而易见到公开示例的各种特征和优点。伴随详细说明的附图能够被简要描述如下:
图1示出了示例性燃料电池系统的高度示意性的视图。
[0008]图2示出了另一示例性燃料电池系统的更具体视图。
[0009]图3示出了用于维持图2系统的燃料电池内的水平衡的通用方法。
[0010]图4示出了用于维持图2系统的燃料电池内的水平衡的更具体方法。
【具体实施方式】
[0011]参考图1，示例性燃料电池系统10包括燃料电池12和水的供应源14。燃料电池12从供应源14接收水。水沿路径16被传送到燃料电池12。水运动通过燃料电池12以便水合和除去热能。在运动通过燃料电池12之后，水中的至少一些在排出口 18处作为水蒸汽从燃料电池12排出。运动通过排出口 18的水蒸汽运动到环境从而离开燃料电池系统10。剩余的水作为液体水沿路径20运动回到供应源14。在一些示例中，尚未通过排出口 18离开燃料电池系统10的水蒸汽可以凝结并添加到供应源14。
[0012]在这种示例中，控制器22改变通过排出口 18从燃料电池系统44排出的水蒸汽的量。示例性控制器22基于供应源14内的水的可用性来改变离开燃料电池12的水蒸汽。控制器22可以调节进入燃料电池12的空气的压力或者空气流率，以便改变通过排出口 18离开燃料电池12的水蒸汽的量。
[0013]调节进入燃料电池12的空气的压力(例如增加所述压力)是控制器22可以怎样改变通过排出口 18离开燃料电池12的水蒸汽的量的示例。因为空气含有氧，所以在这种示例中空气被看作是反应物。
[0014]在另一示例中，控制器22通过调节进入燃料电池12的另一反应物的压力(例如通过增加进入燃料电池12的重整物的压力)来改变水的排出。重整物含有氢。
[0015]现在参考图2且继续参考图1，另一示例性燃料电池系统40包括具有阳极48和阴极52的燃料电池44。质子交换膜56将阳极48与阴极52分离。燃料电池44是燃料电池堆内的多个燃料电池中的一个。
[0016]燃料源60供应例如氢的燃料到燃料电池44的阳极48。在燃料排出口 64处从燃料电池44排出燃料中的一些。一些水蒸汽可以通过燃料排出口 64随燃料排出。
[0017]被排出燃料的一部分可以再循环回到阳极48内。再循环燃料由于提高燃料效率因而是有益的。再循环燃料中的一些也可以有助于维持水平衡，这是因为与燃料没有再循环相比，燃料排气损失更少的水蒸汽。
[0018]氧化剂源68供应例如空气的氧化剂到燃料电池44的阴极52。在空气排出口 72处从燃料电池44排出空气中的一些。
[0019]氢-空气PEM燃料电池系统(例如，图2所示的系统40)产生水作为副产品。一些水作为水蒸汽从燃料电池44排出，所述水蒸汽由通过空气排出口 72从燃料电池排出的空气带走。燃料电池44内的化学反应产生了由被排出空气携带的水蒸汽。
[0020]燃料电池44内的化学反应除水蒸汽外还产生液体水。在这种示例中，液体水沿路径80运动到蓄积器水箱76。沿路径80运动的液体水可以经过液体-液体热交换器，所述液体-液体热交换器将热量传送到车辆散热器流体。
[0021 ] 空气也可以沿着路径80运动。空气可以经过凝结器&分离器，其凝结来自空气的水蒸汽。之后凝结的水被添加到蓄积器水箱76。之后，空气的其余部分(其仍然包括一些水蒸汽)被排出到环境。如果仅存在液体-液体热交换器(并且没有凝结器)，则离开阴极52的所有水蒸汽均被排出。
[0022]蓄积器水箱76为燃料电池44提供外部水源。之后，根据需要，液体水沿路径82传送回到燃料电池44。泵(未示出)被用于使得液体水沿着路径80和82运动。
[0023]因此，蓄积器水箱76中的液体水中的一些可以是由燃料电池44产生的水。来自蓄积器水箱76的水可以被用于“感知地”冷却燃料电池，这通过在所述水横穿燃料电池时吸收热并升高水温来实现。替代性地，或者额外地，冷却剂水可以“蒸发地”冷却燃料电池，这通过使得水蒸发到空气(或其他反应物气体)流中来实现。运动回到蓄积器水箱76的液体水包括超出蒸发需求而被提供的液体水，所述液体水从沿路径80运动的空气凝结得到。
[0024]因此，沿路径80从燃料电池44传送出的液体水的量被燃料电池44重复使用并且不离开燃料电池系统40。相比之下，从燃料电池44移动通过空气排出口 72的水蒸汽中的大部分离开燃料电池系统40。示例性燃料电池系统40是便携系统(例如用于车辆的系统)并且不能接入到无限水源。
[0025]如果从系统40排出的水蒸汽的总量等于由燃料电池44产生的水，则系统40能够被称为以水平衡操作。如果从系统40排出的水蒸汽的总量大于由燃料电池44产生的水，则系统40能够被称为以负的水平衡操作。如果从系统40排出的水蒸汽的总量小于由燃料电池44产生的水，则系统40能够被称为以水过量操作。
[0026]在示例性系统40中，控制器84可操作地连接到被固定到蓄积器水箱76的传感器88a和88b。第一传感器88a被用于确定蓄积器水箱76内的水液面是否高于液面Lp第二传感器88b被用于确定蓄积器水箱76内的水液面是否高于液面L2。
[0027]在这种示例中，液面L1高于液面L2。如能够意识到的，蓄积器水箱76内的水量当水液面处于液面L1时比当水液面处于液面L2时更大。
[0028]传感器88a和88b探测在蓄积器水箱76的具体高度处的水的存在性，以便确定燃料电池44可用的水量。另一些示例可以包括用于确定被燃料电池44使用的水的可用性的其他技术。
[0029]示例性控制器84响应于由传感器88a和88b提供的信息来对被传送到燃料电池44的空气做出调节。在这种示例中，控制器84对来自氧化剂供应源68的空气做出调节，以便增加或减少通过空气排出口 72离开燃料电池系统40的水蒸汽的量。
[0030]在这种示例中，控制器84致动阀门90或其他装置以调节进入燃料电池44的空气的压力，这会改变通过排出口 72离开燃料电池系统40的水蒸汽的量。在另一示例中，控制器84致动阀门90以调节进入燃料电池44的空气的流率，这会改变通过排出口 72离开燃料电池系统40的水蒸汽的量。其他示例利用其他技术来改变离开燃料电池系统40的水蒸汽的量，例如调节将空气供应到燃料电池44的压缩机。
[0031]许多计算装置可以被用于实现控制器84的各种功能。在一种示例中，控制器包括微处理器，其执行被存储在控制器的存储部分内的程序。
[0032]参考图3且继续参考图2，由控制器84使用的用于平衡系统40内的水的示例性方法100包括:在步骤110处从燃料电池系统40排出水蒸汽，并且之后在步骤120处基于燃料电池44可用的水量来改变所述排出。
[0033]步骤110利用来自传感器88a和88b的信息来确定燃料电池44可用的水量。虽然在这种示例中可用的水量被示为完全容纳在蓄积器水箱76内，但是从本公开受益的本领域技术人员将理解，水量可以延伸到其他区域并且可以由适当传感(或其他)装置监测。
[0034]图4示出了由系统40内的控制器84利用的控制的更加具体的方法200。在步骤210处，控制器84确定燃料电池44可用的水量是否大于量X10在这种示例中，量X1对应于蓄积器水箱76内的水超过液面U。在步骤210处，控制器84还确定被供应到燃料电池44的空气的压力是否大于最小可能压力。已知的是，提供不必要的压力是低效的。
[0035]如果控制器84确定水大于X1并且压力大于最小可能压力Pmin，则控制器84在步骤220处降低被供应到燃料电池44的空气的压力。
[0036]如果可用水不大于X1且/或被供应的空气的压力不大于最小潜在压力Pmin,则控制器84运动到步骤230。在这个步骤，控制器84确定可用水是否小于X1并且被供应到燃料电池44的空气的压力是否小于最大潜在压力Pmax。如果是，则控制器84运动到步骤240，在该步骤中，控制器84增加被供应到燃料电池44的空气的压力。
[0037]如果步骤230的答案是否，则之后控制器84在步骤250确定可用水是否大于X2。在这种示例中，X2对应于图2所示液面L2。液面L2低于液面L1并且表明与水处于液面L1时相比存在更少的水可用于由燃料电池44使用。
[0038]更具体地，在这种示例中，液面L1代表蓄积器水箱76被填充到其总的潜在容量的大约75%。液面L2代表蓄积器水箱76被填充到其容量的25%。
[0039]如果在步骤250可用水大于X2,则方法200和控制器84在步骤260维持被供应到燃料电池44的空气的压力。如果在步骤250可用水不大于X2,则方法200和控制器84在步骤270可以限制从燃料电池44汲取的功率。
[0040]在一种示例中，在步骤270处限制从燃料电池汲取的功率包括:减少对从燃料电池44汲取的潜在功率的现有限制。例如，如果燃料电池44被用于给车辆提供动力，则对从燃料电池44汲取的功率的现有限制可以是80千瓦。如果在步骤250的答案是可用水小于X2，则控制器84在方法步骤270将现有限制减小到较低水平，例如60千瓦。
[0041]控制器84也可以限定下限，例如40千瓦，以便确保燃料电池44产生足够量的水，以经由路径80补给蓄积器水箱76。
[0042]前面的描述实质上是示例性而不是限制性的。本领域技术人员可以显而易见到不必背离本公开本质的所公开示例的变型和改进。因此，本公开被赋予的法律保护范围仅可通过研究所附权利要求来确定。
【权利要求】
1.一种水平衡方法，包括: 从系统排出水蒸汽；以及 响应于所述系统可用的水量来改变所述排出。
2.根据权利要求1所述的系统水平衡方法，其中所述改变包括增加进入所述系统的反应物的压力。
3.根据权利要求1所述的系统水平衡方法，其中所述改变包括减小进入所述系统的反应物的流率。
4.根据权利要求1所述的系 统水平衡方法，其中所述水量包括蓄积器水箱内的水液面。
5.根据权利要求1所述的系统水平衡方法，包括响应于所述系统可用的水量来限制从所述系统汲取的功率。
6.根据权利要求5所述的系统水平衡方法，包括通过施加最大功率汲取极值和最小功率汲取极值来限制被汲取的功率。
7.根据权利要求1所述的系统水平衡方法，其中所述系统是燃料电池系统。
8.一种燃料电池水平衡方法，包括: 探测燃料电池可用的水量；以及 响应于所述探测来限制从所述燃料电池系统排出的水蒸汽。
9.根据权利要求8所述的燃料电池水平衡方法，包括限制从所述燃料电池汲取的功率。
10.根据权利要求9所述的燃料电池水平衡方法，包括通过施加最大功率汲取极值和最小功率汲取极值来进行限制。
11.根据权利要求8所述的燃料电池水平衡方法，包括:在所述水量小于第一参考水量的情况下，限制从所述燃料电池排出的水蒸汽；在所述水量小于比所述第一参考水量小的第二参考水量的情况下，限制从所述燃料电池汲取的功率。
12.根据权利要求11所述的燃料电池水平衡方法，其中所述第一参考水量是蓄积器容量的大约75%，并且所述第二参考水量是所述蓄积器容量的大约25%。
13.一种燃料电池组件，包括: 燃料电池，其从供应源接收水；和 控制器，其响应于所述供应源内的水量选择性地改变从所述燃料电池传送出的水蒸汽的量。
14.根据权利要求13所述的燃料电池组件，其中所述供应源包括蓄积器水箱。
15.根据权利要求14所述的燃料电池组件，其中所述燃料电池产生被传送到所述供应源的液体水。
16.根据权利要求13所述的燃料电池组件，其中所述水蒸汽从所述燃料电池排出到环境。
17.根据权利要求13所述的燃料电池组件，包括将液体水从所述供应源传送到所述燃料电池的管道。
18.根据权利要求17所述的燃料电池组件，其中所述控制器起动装置的致动以便改变进入所述燃料电池的反应物的压力。
19.根据权利要求18所述的燃料电池组件，其中所述装置是阀门、压缩机、或阀门和压缩机二者。
20.根据权利要求17所述的燃料电池组件，其中所述控制器起动装置的致动以便改变进入所述燃料电池的反应物的流率。
【文档编号】H01M8/10GK103959526SQ201180075226
【公开日】2014年7月30日 申请日期:2011年12月1日 优先权日:2011年12月1日
【发明者】J.D.奥奈尔, C.M.古德里奇, D.A.阿瑟 申请人:联合工艺公司