用于控制燃料电池模块的系统和方法
【专利说明】用于控制燃料电池模块的系统和方法
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本申请要求于2012年5月4日提交的美国临时申请第61/642，846号和于2013年5月I日提交的美国申请第13/874，798的权益，在此以引用的方式将这些申请合并到本文中。
技术领域
[0003]本发明涉及用于控制燃料电池模块的系统和方法。
【背景技术】
[0004]PEM燃料电池模块包括燃料电池堆(stack)。燃料电池堆包含许多用于在电极之间传导质子的聚合物电介质膜。当膜的含水量处于某个范围内时，这些膜具有最好的传导性。当在堆中保持有在燃料电池中生成或由环境空气或加湿器带来的过多的水时，膜的含水量可增加至高于上述范围。当从这些源中除去过多的水时，膜的含水量可下降至低于上述范围。在电池堆以大体上恒定的电流密度操作的情况下，当含水量处于上述范围之外时，电池堆的电压下降。
【发明内容】
[0005]下面的介绍旨在向读者提供详细说明以了解而非限定或界定所请求保护的发明。
[0006]在操作本发明的燃料电池模块的过程中，在控制一个或多个对从堆移除水的速率产生影响的辅助系统(balance of plant)元件时，考虑与氢气再循环泵有关的信号。该信号与泵对氢气再循环回路中的气体的密度或湿度的变化的响应相关。
[0007]本发明的燃料电池模块具有氢气再循环泵和控制器。控制器接收如下信号，该信号用于表明泵对氢气再循环回路中的气体的密度或湿度的变化的响应。控制器被编程为在控制一个或多个对从堆移除水的速率产生影响的辅助系统元件时考虑该信号。
[0008]在示例中，通过以大体上恒定电压或速度进行操作的再生或离心泵来循环氢气。用于表明泵所抽取的电流的信号被发送到控制器。如果电流高于所选择的值或范围，控制器提高冷却系统温度设定点。如果电流低于所选择的值或范围，控制器降低冷却系统温度设定点或范围。在冷却系统中，水以大体上恒定的流速流过堆和散热器。散热器风扇的速度在所测量的冷却系统温度高于温度设定点或范围的情况下增加，并在所测量的温度低于设定点或范围的情况下降低。
[0009]不欲受限于理论，膜的含水量与电池堆的燃料侧的湿度相关。堆的燃料侧的气体密度随着湿度变化。相应地，当电池堆的燃料侧的湿度增加时，为了在再循环回路中实现相同的体积流速，需要更多的能量。因此，与再循环泵相关的信号(例如，恒定速度和恒定电压再生泵所抽取的电流)表明了膜的含水量。该信号能够用于针对辅助系统生成指令以用于增加或降低从堆移除水的速率。例如，能够通过改变氢气(阳极侧)清除速率、空气(阴极侧)流动速率和冷却系统温度之中的一者或多者来改变水的移除速率。通过提高冷却系统温度设定点来以更高的温度排出空气，且更热的空气从堆移除了更多的作为蒸汽的水。
[0010]在本发明的燃料电池模块和处理中，氢气再循环泵被用作湿度传感器。
【附图说明】
[0011]图1是燃料电池模块的示意图。
[0012]图2是燃料电池操作过程的示意图。
【具体实施方式】
[0013]图1示出了燃料电池模块10。染料电池模块具有燃料电池堆12，燃料电池堆12包含多个PEM电池。堆12内的流场板(flow field plate)界定了冷却剂路径、燃料侧路径(也被称为氢气或阳极侧路径)以及空气侧路径(也被称为氧气或阴极侧路径)。各种辅助系统元件被用于管理这些路径中的材料的流动。如图1所示，下面将说明这些辅助系统元件的一些示例，当也可以使用其他辅助系统元件或构造。
[0014]氢气或含氢气的燃料被从燃料源14放出，在氢气入口 16处进入堆12，并从氢气出口 18离开堆12。被从氢气出口 18放出的未反应氢气通过再循环回路21返回到氢气入口16。再循环回路21中的流动由氢气再循环泵20驱动。不时地，通过打开清除阀22从堆的燃料侧移除氢气、其它杂质和水。清除阀22可以是电磁阀或能够由机械的、电气的或计算机化的控制器操作的其它类型的阀。
[0015]空气(或者氧气或富含氧气的空气)通过空气入口 24流入到堆12中。空气和水蒸气通过空气出口 26离开堆12。空气的流动由空气泵28驱动。空气泵28可以以恒定的速度操作或者由可变频率驱动器或其它速度可控电机驱动。空气泵28可连接到空气入口24或空气出口 26。
[0016]诸如水或者水与乙醇或其它防冻剂的混合物之类的冷却剂通过冷却剂入口 30进入到堆12中，并从冷却剂出口 32离开堆12。冷却剂在返回到冷却剂入口 30之前从冷却剂出口 32穿过散热器34或其它热交换器。冷却剂可选地以大体上恒定的流动速率在这个由泵35驱动的回路中移动。冷却剂温度传感器38向冷却系统控制器40发送用于表明冷却剂或堆12的温度的信号。冷却剂温度传感器38可位于堆12中或冷却剂回路的外部的任何位置。根据需要，冷却系统控制器40调节散热器风扇36的速度，以使温度保持在指定范围附近或该范围内，或者使温度保持在温度设定点附近。或者，冷却系统控制器40可调节冷却剂泵35的速度、移动用于控制空气向散热器的流动的导流板(baffle)、改变热交换器中的其它流体的流动、或者调节冷却剂或堆12的温度。
[0017]模块10还具有主控制器42。主控制器42直接地操作氢气再循环泵20、清除阀22、空气泵28和其它辅助系统元件，或通过向与这些元件有关的控制器发送数据来操作这些元件。主控制器42还向冷却系统控制器40提供温度设定点。主控制器包括诸如通用计算机或可编程逻辑控制器之类的计算机、通讯端口和数据存储器。
[0018]计算机被编程为用于实施控制处理以将堆12中的湿度保持在期望范围内。在该处理中，与再循环泵20相关的信号被发送到主控制器42，并得到考虑以确定是否应当改变从堆12移除水的速率。该信号表明了堆中的湿度或(由于由再循环回路21中的气体密度的相应变化引起的再循环泵20的操作的变化而产生的)湿度变化。例如，能够通过改变阳极侧清除速率(这可通过更频繁地或以更长的时间段打开清除阀22来实施)来改变从堆12移除水的速率。或者，能够通过改变阴极侧气体流动速率(这可通过改变空气泵28的速度来实施)来改变水的移除速率。又或者，能够通过改变堆12的温度(这可通过冷却系统温度设定点来实施)来改变水的移除速率。再或者，可以组合地使用这些方法中的两种以上的方法。
[0019]图2示出了一个控制处理100的示例，该控制处理100能够被编程到主控制器42或冷却系统控制器40中或被编程到两者中。控制处理包括三个交互回路A、B和C。回路A是温度设定点调节回路。回路B是主温度设定回路。回路C是冷却系统控制器回路。也可以发展出其他的将泵用作湿度或含水量传感器的处理。
[0020]在回路A中，在步骤110中，主控制器42获得用于表明氢气再循环泵20正在抽取的电流的信号。再循环泵20是再生的(离心的)高速泵。主控制器42或泵控制器以恒定电压或恒定速度操作再循环泵20。该速度例如可以在18000到24000rpm的范围内。再循环回路21中的气体密度随着它们的湿度变化。由于再循环泵20被提供有恒定电压而以恒定速度或以近似恒定速度旋转，所以在气体的密度增加时，再循环泵20消耗更多的电流和能量。于是，从再循环泵抽取的电流(或功率)表明了堆12中的气体的密度和湿度。或者，如果使向再循环泵20提供的电流或功率保持恒定，泵的电压或速度的变化可用于表明堆12的湿度。可使用与再循环泵20相关的信号的组合。该组合可以例如是电气参数(例如，功率、电流或电压)与机械参数(例如，速度、体积流速或质量流速)的比率，其中该比率响应于再循环回路21中的气体的密度变化而变化。
[0021]在步骤112中，将感测电流与指定电流范围或值相比较。选择用于表示堆12中的优选的湿度范围或值。例如，在一个堆12中，将4.0和4.5之间的范围与最大电池堆电压相关联。可选地，指定电流范围或值可随着诸如堆电流密度之类的其它参数变化。或者，由于再循环回路21中的气体的密度、蒸汽局部压力或相对湿度可随着温度变化，所以指定电流范围或值可随着温度变化。然而，由于密度随着湿度的变化比密度随着温度的变化更明显，所以可指定固定的电流范围。
[0022]在步骤114中，计算温度设定点调节值。这可以通过将温度调节范围(例如，从-5摄氏度至+5摄氏度)线性地映射至高于和低于指定范围的电流强度范围(例如，从-4A至+4A)来完成。在这种情况下，2A的感测电流产生了-2.5摄氏度的设定点调节值。6.5A的感测电流产生了 +2.5摄氏度的设定点调节值。
[0023]高的感测电流表明再循环回路21中的气体由于堆12中的膜的含水量和湿度的增加而已经变得更密集。通过提高冷却剂系统温度设定点提高了堆12的温度。堆12的阴极侧上的水蒸气的比率以及空