燃料電池組件和控制方法
【專利摘要】一種示例性方法包括：以包括多個操作參數(shù)的第一功率輸出水平來操作燃料電池。每個操作參數(shù)均具有滿足第一功率要求的值。確定所述第一功率要求和第二功率要求之間的變化。所述操作參數(shù)中的至少第一操作參數(shù)被維持在對應于所述第一功率輸出水平的值或在中間值，而所述操作參數(shù)中的至少第二操作參數(shù)改變?yōu)閷诘诙β瘦敵鏊揭詽M足所述第二功率要求的值。延遲將所述第一操作參數(shù)改變到對應于所述第二功率輸出水平的值，直到滿足預定標準。
【專利說明】燃料電池組件和控制方法
【背景技術】
[0001]典型的燃料電池裝置包括被一起放置在電池堆組件(CSA)中的多個燃料電池。陰極反應物氣體(例如空氣)和陽極反應物氣體(例如氫)被用于電化學反應以產生電能。濕化膜可以將陽極反應物分離于陰極反應物，并且引導在陽極和陰極之間的離子流?？刂破鞅O(jiān)測CSA的操作參數(shù)并且控制陽極和陰極反應物氣體的流動以及電流或電壓以便產生所需CSA功率輸出水平。
[0002]從CSA輸出的所需功率會多次改變。這能夠是響應向負荷或者功率要求的變化。其也可以是由于燃料電池操作的變化，例如從起動到正常操作的轉變。
[0003]與循環(huán)操作有關的退化機制會限制CSA的耐久性。例如，電壓循環(huán)會導致性能隨時間退化。局部的薄膜濕度循環(huán)會導致膜磨損。這兩種循環(huán)類型會響應于負荷或功率要求的變化而發(fā)生。雖然這樣的循環(huán)在較低溫度時會僅導致適度的退化或磨損率，但是高溫操作會加重與這種循環(huán)有關的負面影響。因此，希望的是限制處于更高溫度所花費的時間以及在高溫運行期間的循環(huán)量。限制電壓循環(huán)的負面影響的一種方法是使用電壓鉗制。電壓循環(huán)會被看作在CSA被鉗制所處的某個電壓之下是良性的。例如，在名義操作溫度，可以可接受的是將電壓鉗制到特定值，但是在較高操作溫度該電壓鉗會是不可接受的。因此，電壓鉗制不是完美的技術方案。

【發(fā)明內容】

[0004]示例性方法包括:在包括多個操作參數(shù)的第一功率輸出水平操作燃料電池。每個操作參數(shù)具有滿足第一功率要求的值。確定第一功率要求和第二功率要求之間的變化。操作參數(shù)中的至少第一操作參數(shù)被維持在對應于第一功率輸出水平的值，而操作參數(shù)中的至少第二操作參數(shù)被改變?yōu)閷诘诙β瘦敵鏊揭詽M足第二功率要求的值。延遲將所述第一操作參數(shù)改變到對應于所述第二功率輸出水平的值，直到滿足預定標準。
[0005]示例性燃料電池組件包括電池堆組件和控制器，該控制器被構造成以包括多個操作參數(shù)的第一功率輸出水平操作電池堆組件。每個操作參數(shù)具有滿足第一功率要求的值?？刂破鞔_定第一功率要求和第二功率要求之間的變化。控制器將操作參數(shù)中的至少第一操作參數(shù)維持在對應于第一功率輸出水平的值，并且將操作參數(shù)中的至少第二操作參數(shù)改變?yōu)閷诘诙β瘦敵鏊揭詽M足第二功率要求的值?？刂破餮舆t將第一操作參數(shù)改變到對應于第二功率輸出水平的值，直到滿足預定標準。
[0006]從下述描述和附圖中能夠理解所公開示例的這些和其他特征，在下文可以簡要地描述所述描述和附圖。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0007]圖1示意性示出了示例性燃料電池組件。
[0008]圖2示意性示出了另一示例性燃料電池組件。
[0009]圖3是示出操作燃料電池的示例性方法的流程圖?！揪唧w實施方式】
[0010]圖1示意性示出了包括電池堆組件(CSA)12的示例性燃料電池組件10，該CSA 12具有多個燃料電池。在這種示例性實施例中，燃料源14提供反應物，例如氫，其由例如燃料泵的供應裝置18引導到CSA 12的燃料入口 16。氫(或者其他反應物)以公知方式穿過CSA12以便有助于功率生成。包括氫的排氣燃料通過燃料出口 20離開CSA 12。
[0011]通過例如鼓風機或壓縮機的供應裝置26的驅動，空氣源22將空氣提供到空氣入口 24?？諝?或者其他氣體)以公知方式穿過CSA 12以便有助于功率生成。排氣空氣通過空氣出口 28離開CSA 12并且被引導到蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)30。蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)30以公知方式操作并且從排氣空氣凝結水，其通過水入口 32被引導到CSA 12。
[0012]控制器34通過與供應裝置18和26、蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)30、電池堆組件12和溫度傳感器36通信來控制燃料電池組件10。雖然溫度傳感器36在所示示例中被示出為鄰近CSA12，但是溫度傳感器36也可以定位成遠離CSA 12。
[0013]CSA 12生成的功率被控制器34選擇性地引導到負荷38或功率吸收器40，例如電池、電容或者電阻。
[0014]圖2示意性示出另一示例性燃料電池組件10。在這種示例性實施例中，水通過水出口 29離開CSA 12并被引導到以公知方式操作的可感測冷卻系統(tǒng)130。水通過水入口 32返回到CSA 12，以便以公知方式冷卻CSA 12。
[0015]圖3是示出操作燃料電池的示例性方法的流程圖200。示例性方法包括:以包括多個操作參數(shù)的第一功率輸出水平來操作燃料電池(步驟202)。每個操作參數(shù)具有對應于滿足當前第一功率要求的第一功率輸出水平的值。在這種示例中，操作參數(shù)包括CSA電壓、反應物流率、反應物壓力和反應物濕度中的至少一個。
[0016]控制器34確定何時發(fā)生第二功率要求以致在第一功率要求和第二功率要求之間發(fā)生變化(步驟204)。
[0017]操作參數(shù)中的至少第一操作參數(shù)被維持在對應于第一功率輸出水平的值，而操作參數(shù)中的至少第二操作參數(shù)被改變?yōu)閷诘诙β瘦敵鏊降闹?步驟206)。不是立即改變所有操作參數(shù)來滿足第二功率要求，這種示例包括選擇性延遲改變至少一個操作參數(shù)。這種方法阻止會降低燃料電池使用壽命的在高溫運行期間的CSA電壓、反應物流率、反應物壓力和反應物濕度的循環(huán)。在功率要求反復波動的情況下，這是尤其有用的。如果所有的操作參數(shù)響應于功率要求的變化而立即變化，則與這些變化相關的循環(huán)可以具有負面影響。然而，如果在發(fā)生電壓或局部膜濕度的有害循環(huán)之前允許降低CSA溫度，則能夠延長CSA的預期耐用性。
[0018]一個示例性實施方式發(fā)生于第一功率要求大于第二功率要求時。在以高功率持續(xù)操作的某些情況下，由于與大功率操作有關的生熱速率的增加，CSA使得運行于比正常更高的溫度。另外，在持續(xù)大功率操作期間，因為大功率持續(xù)操作所需的壓力會高于正常的壓力，所以可以通過反應物壓力的所需增加來進一步增加溫度。在這種情況下，只要功率要求降低，反應物壓力就應該相應地降低。這允許CSA開始冷卻，或者比維持較高壓力時更快速地冷卻。然而，雖然壓力被立即切斷至對應于第二功率要求的水平，例如CSA電壓和反應物流率的其他參數(shù)被維持在對應于第一功率要求的值或者被改變至對應于在第一和第二功率要求之間的中間值的值。
[0019]具體地，在CSA溫度仍然高于名義值的情況下，電壓被鉗制成低于名義值。在一種示例中，鉗制電壓被規(guī)定成溫度的函數(shù)。例如，如果0.6V的電池電壓對應于第一功率要求，并且0.88V的電池電壓對應于第二功率要求，則電壓根據(jù)CSA溫度可以被鉗制到小于0.88V的值，直到溫度到達名義溫度并且允許電池電壓浮動到0.88V。鉗制電壓用于避免電壓循環(huán)高于某電壓，當以較高溫度操作時鉗制到較低電壓用于減少甚至更多的循環(huán)。
[0020]在一種示例中，鉗制電壓是允許CSA操作所處的最大電壓。鉗制電壓限制最小功率汲取并且只要功率要求低于最小功率汲取就將過量的功率分流到功率吸收器。在一種示例中針對每I度的溫度增加，鉗制電壓降低3mV/電池。
[0021]此外，在CSA溫度高于名義值時，反應物流率可以被設定成對應于第一和第二功率要求的值之間的中間水平，以試圖維持局部蒸發(fā)和局部水生成之間的穩(wěn)定平衡，以便避免局部膜濕度循環(huán)，直到CSA溫度到達可接受這種循環(huán)的名義范圍。
[0022]膜濕度可以是在空間上不均勻的，但是在電池中的不同點處改變。在給定部位的膜濕度或者“局部”膜濕度也可以隨時間變化，這是因為所述膜濕度響應于局部水蒸發(fā)速率和水生成速率的變化。局部蒸發(fā)速率取決于反應物流率、反應物濕度和反應物壓力，而局部水生成速率取決于局部離子流密度，其與CSA電流、電壓和功率相關。雖然局部膜濕度循環(huán)在名義溫度可以是可接受的，但是在高溫運行期間，所述局部膜濕度循環(huán)可以通過例如調整反應物流率和CSA電流以維持局部蒸發(fā)和局部水生成之間的穩(wěn)定平衡來減輕。
[0023]在一種示例中，反應物流率的中間值被選擇成維持局部蒸發(fā)(其取決于反應物流率、濕度和壓力)和局部水生成(其取決于局部電流密度且繼而取決于CSA電壓)之間的穩(wěn)定平衡。維持這種平衡避免了在CSA仍處于相對高溫時的局部膜濕度循環(huán)?？刂破?4可以實施簡單的或者復雜的算法以確定維持這種平衡所需的反應物流率。
[0024]在這種具體示例中，沒有立即改變或被設定成中間值的操作參數(shù)包括反應物流量和陰極勢能。立即地改變以與第二功率要求對應的操作參數(shù)(例如“第二”參數(shù))包括反應物壓力。參考圖1和圖2，供應裝置26和燃料閥門18減少反應物壓力以匹配第二功率要求，而反應物流率、濕度和CSA電壓保持不變或臨時被設定成中間值。因為燃料電池產生比滿足第二功率要求所必須的更多的功率，所以過量功率被引導到功率吸收器，直到功率輸出水平匹配第二功率要求。反應物壓力的減少以及(如果適用的話)其他操作參數(shù)的中間設定將燃料電池操作溫度降低到如下范圍，在該范圍中，反應物流量、濕度和CSA電壓的變化將較少危害到燃料電池的耐用性。延遲反應物流量、濕度和CSA電壓中的至少一個的較大變化直到溫度到達所需范圍避免了以其他方式潛在的有害影響。這種示例應用于使用蒸發(fā)或可感測冷卻系統(tǒng)30、130的燃料電池。
[0025]當?shù)谝还β室笮∮诘诙β室髸r，保持在對應于第一功率要求的值的操作參數(shù)可以包括反應物壓力。能夠響應于功率要求的增加而沒有延遲地變化的操作參數(shù)包括反應物流率、濕度和CSA電壓。在一種示例中，反應物壓力被維持在對應于第一功率要求的值，這防止了 CSA 12升溫得與在反應物壓力增加時所達到的那樣多。反應物流率、濕度和CSA電壓不延遲地改變到與第二功率輸出水平對應以滿足第二功率要求的值。這種示例應用于使用蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)30的燃料電池。
[0026]操作參數(shù)中的第一操作參數(shù)延遲進行改變，直到滿足預定標準(步驟208)。例如，預定標準包括預設時間長度，并且控制器延遲改變操作參數(shù)中第一操作參數(shù)，直到流逝預設時間長度。避免響應于頻繁功率要求變化的頻繁改變會減少對燃料電池有害的循環(huán)。
[0027]在另一示例中，預定標準包括電池堆組件的溫度，并且控制器延遲改變操作參數(shù)中的第一操作參數(shù)，直到電池堆組件到達預設溫度(由溫度傳感器36來測量)。
[0028]從上面的討論中，應該明確的是，在許多情況中，功率要求的變化將僅是臨時的，并且在幾秒后功率要求會從第二功率要求恢復回到第一功率要求。在這種情況下，“第一參數(shù)”將不改變到其“第二”值，并且在功率要求恢復時將仍處于其“第一”值或者中間值。如果為真，則在第二功率要求小于第一功率要求的示例中，即使功率要求循環(huán)，也避免了電壓和局部膜濕度的整個有害循環(huán)。在第二功率要求大于第一功率要求的示例中，當功率要求恢復時壓力將仍處于其初始設定，以致臨時溫度增加將低于壓力已經增加時的溫度。因此，將避免或最小化了潛在的有害高溫運行。
[0029]雖然已經公開了本發(fā)明的優(yōu)選實施例，但是本領域的普通技術人員將意識到，某些改進會落入本發(fā)明范圍內。為此，應該研究所附權利要求來確定本發(fā)明所提供的法律保護范圍。
【權利要求】
1.一種用于操作燃料電池的方法，所述方法包括以下步驟: a)以包括多個操作參數(shù)的第一功率輸出水平來操作燃料電池，每個操作參數(shù)均具有滿足第一功率要求的值； b)確定所述第一功率要求和第二功率要求之間的變化； c)將所述操作參數(shù)中的至少第一操作參數(shù)維持在對應于所述第一功率輸出水平的值，而將所述操作參數(shù)中的至少第二操作參數(shù)改變?yōu)閷诘诙β瘦敵鏊揭詽M足所述第二功率要求的值；和 d)延遲將所述第一操作參數(shù)改變到對應于所述第二功率輸出水平的值，直到滿足預定標準。
2.根據(jù)權利要求1所述的方法，其中所述第一功率要求大于所述第二功率要求。
3.根據(jù)權利要求2所述的方法，其中改變所述第二操作參數(shù)包括:降低燃料電池壓力。
4.根據(jù)權利要求2所述的方法，其中所述第一操作參數(shù)包括反應物流量、濕度或電池堆組件電壓中的至少一者。
5.根據(jù)權利要求2所述的方法，包括將所述第一操作參數(shù)改變?yōu)閷谠谒龅谝缓偷诙β瘦敵鏊街g的中間功率輸出水平的值。
6.根據(jù)權利要求1所述的方法，其中所述第一功率要求小于所述第二功率要求。
7.根據(jù)權利要求6所述的方法，其中所述第一操作參數(shù)是壓力。
8.根據(jù)權利要求1所述的方法，其中所述預定標準包括所述燃料電池的時間和溫度中的至少一者。
9.根據(jù)權利要求1所述的方法，其中步驟c)包括:當所述第一功率要求大于所述第二功率要求時將過量功率引導到功率吸收器。
10.根據(jù)權利要求1所述的方法，其中所述第二操作參數(shù)包括反應物流量、濕度或電池堆組件電壓中的至少一者。
11.根據(jù)權利要求1所述的方法，包括: 鉗制電池堆組件電壓；以及 基于溫度來選擇用于所述鉗制的電壓值。
12.根據(jù)權利要求11所述的方法，包括隨著所述溫度增加而降低用于所述鉗制的所述電壓值。
13.一種燃料電池組件，所述燃料電池組件包括: 電池堆組件；以及 控制器，所述控制器被構造成: 以包括多個操作參數(shù)的第一功率輸出水平來操作所述電池堆組件，每個操作參數(shù)均具有對應于第一功率要求的值； 確定在所述第一功率要求和第二功率要求之間的變化； 將所述操作參數(shù)中的至少第一操作參數(shù)維持在對應于所述第一功率輸出水平的值，而將所述操作參數(shù)中的至少第二操作參數(shù)改變?yōu)閷诘诙β瘦敵鏊降闹?；? 延遲將所述第一操作參數(shù)改變到對應于所述第二功率輸出水平的值，直到滿足預定標準。
14.根據(jù)權利要求13所述的燃料電池組件，其中所述第一功率要求大于所述第二功率要求。
15.根據(jù)權利要求14所述的燃料電池組件，其中改變所述第二操作參數(shù)包括:降低所述電池堆組件的壓力。
16.根據(jù)權利要求14所述的燃料電池組件，其中所述第一操作參數(shù)包括反應物流量、濕度或電池堆組件電壓中的至少一者。
17.根據(jù)權利要求14所述的燃料電池組件，其中將所述第一操作參數(shù)改變?yōu)閷谠谒龅谝缓偷诙β瘦敵鏊街g的中間功率輸出水平的值。
18.根據(jù)權利要求13所述的燃料電池組件，其中所述第一功率要求小于所述第二功率要求。
19.根據(jù)權利要求18所述的燃料電池組件，其中所述第一操作參數(shù)包括壓力。
20.根據(jù)權利要求13所述的燃料電池組件，其中所述第二操作參數(shù)包括反應物流量、濕度或電池堆組件電壓中的至少一者。
21.根據(jù)權利要求13所述的燃料電池組件，其中所述預定標準包括所述電池堆組件的時間和溫度中的至少一者。
22.根據(jù)權利要求13所述的燃料電池組件，其中所述控制器被構造成當所述第一功率要求大于所述第二功 率要求時將過量功率引導到功率吸收器。
23.根據(jù)權利要求22所述的燃料電池組件，其中所述功率吸收器包括電池、電容或電阻中的至少一者。
24.根據(jù)權利要求13所述的燃料電池組件，其中所述控制器被構造成: 鉗制電池堆組件電壓；以及 基于溫度來選擇鉗制電壓值。
25.根據(jù)權利要求24所述的燃料電池組件，其中所述控制器被構造成隨著所述溫度增加而降低所述鉗制電壓值。
【文檔編號】H01M8/10GK103959527SQ201180075380
【公開日】2014年7月30日 申請日期:2011年12月9日 優(yōu)先權日:2011年12月9日
【發(fā)明者】J.D.奧奈爾, T.W.帕特森 申請人:聯(lián)合工藝公司