專利名稱：電池組末端電池加熱器控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
0001沐發(fā)明總體上涉及一種用于控制流向分離燃料電池組(split foel cell stack)
的糊電池加熱器的電流的系統(tǒng)和方法，更具體地，涉及一種用于控制流向分 離燃料電池組的末端電池加熱器的電流的系統(tǒng)和方法，其中控制末端電池加熱 器以保持末端電池中的預(yù)定溫度高于燃料電池組的工作溫度。
0002氫是一種非常有吸弓l力的燃料，因?yàn)樗乔鍧嵉牟⑶倚┯糜谠谌剂?電池中有效地產(chǎn)生電。i(M料電池是一種電化學(xué)體，其包括陽極和陰極以及 位于其間的電解質(zhì)。陽極接收氫氣而陰極接收誠空氣。在陽極中氣氣飾產(chǎn) 生自由質(zhì)子和電子，質(zhì)子穿過電解質(zhì)到達(dá)陰極。質(zhì)子在陰極中與氧和電子發(fā)生 反應(yīng)而產(chǎn)^7jC。來自陽極的電子不能艦柳質(zhì)，因此在傳蹈l朋fc前被引
導(dǎo)皿負(fù)iy6a行工作。
0003質(zhì)子交換M料電池(PEMFC)是用于車輛的通用燃料電池。PEMFC 通常包括固相聚^l電解質(zhì)質(zhì)子導(dǎo)電膜，例如全氟磺酸膜。陽極和陰極一般包 括負(fù)tera粒上并且與離聚物混合的精細(xì)分散的催，粒，通常是鈾(Pt)。 催化混合物沉積鄉(xiāng)的相對(duì)側(cè)面上。陽極催化混，、陰極催化混糊和膜的 組合形皿電極組ff(MEA)0
0004
一些燃料電池典型地組合^t料電池組以產(chǎn)生期望的電力。燃料電池 組接收陰極反應(yīng)氣體，典型地是&E縮機(jī)強(qiáng)迫穿過電池組的空氣流。并不是所 有的氧都被電池組消耗，而是一些空氣作為陰t鵬輸出，陰，鵬氣可能包括 作為電池組副產(chǎn)品的7K。燃料電池組同機(jī)收流入電池組陽極側(cè)的陽極氫反應(yīng) 氣體。電池組同樣包括Jt4卩液流動(dòng)的流動(dòng)M。
0005燃料電池組包括一連串置于電池組中的多個(gè)MEAs之間的雙極板，其 中雙極板和MEAs置于兩個(gè)末端板之間。雙極板包括電池組中的相鄰燃料電池 的陽極側(cè)和陰極側(cè)。在雙極板的陽極側(cè)上設(shè)有陽極氣艦動(dòng)鵬以使得陽極反
極反應(yīng)氣Mi向M^MEAo —個(gè)末端板包括陽極氣，動(dòng)通道，而另一個(gè)末 端板包括陰極氣鄉(xiāng)動(dòng)鵬。雙極板和糊板都由導(dǎo)電材料制成，例如不糊 或者導(dǎo)電復(fù)合材料。末端板將燃料電池產(chǎn)生的電流傳導(dǎo)出電池組。雙極板還包 括,液艦的流動(dòng)通道。
0006對(duì)于汽車用途，典型W^400個(gè)燃料電池以麟期望的電能。由于 在汽車燃料電池系統(tǒng)設(shè)計(jì)中電池組需要如此多的燃料電池，從而4I^佳有效地提
供相等的氫氣M31并聯(lián)的400 ，料電池，所以電池組有時(shí)分成兩個(gè)次電池 組，旨包括大約200個(gè)燃料電池。
0007燃料電池內(nèi)的膜需要具有特定的相對(duì)濕度，使得貫穿膜的離子電阻足 夠低以有效地傳導(dǎo)質(zhì)子。力PM可以來自電池組的副產(chǎn)品7域者外部潮濕。艦 流動(dòng)鵬的反應(yīng)氣艦于膜具有干燥作用，在流動(dòng)ffii!A口^M著。同樣， 由于膜相對(duì)潮濕和副產(chǎn)品水而在流動(dòng)通道內(nèi)部的7jC滴累積可能阻止反應(yīng)氣, 流動(dòng)鵬中流動(dòng)，并導(dǎo)致電池失效，由雌響電池組的穩(wěn)定性。反應(yīng)氣條動(dòng) 鵬中水的累積在低電池組輸出負(fù)載的情況中尤其麻煩。
性能。具體而言，末端電mm露于環(huán)^^Jt且因此具有SH梯度，這使得它們 在較低的溫度中工作，結(jié)果導(dǎo)致對(duì)流熱損失。因?yàn)槟┒穗?、M常比電池組中其 余的電池更冷，所以氣態(tài)水更容易凝結(jié)成液態(tài)水使得^^電池中具有更髙的
相外鵬，其導(dǎo)ifoR滴更容易^W電池流動(dòng)鵬中形成。itt^卜，招氏電池組 負(fù)載中，有效地將水推到流動(dòng)M外的反應(yīng)氣流量顯著減小。同樣，在低電池 組負(fù)載瞎況下7t^液MJt陶氐，其斷氐了電池組的、鵬并且通常增加了反應(yīng)氣
流的相對(duì)HJt。
0009本領(lǐng)域中已知將具有加熱電阻絲的加熱^電池布置在單極板和MEA 之間以補(bǔ)償外流辦員耗。這些已知的系^13im測流到電池勝卜部的辨P液溫 度而通常試圖保持，電池旨與電池組中其它電池的、^S—致。然而，即使 添加這種加麟， 電池較低的電池頓仍然是問題。
發(fā)明內(nèi)容
0010根據(jù)本發(fā)明的教導(dǎo)，公JF^種燃料電池系統(tǒng)， ^料電池系統(tǒng)中的燃 料電池組的末端電池中使用末端電池加熱器，其始終保持^電池的,高于 電池組的工作、鵬，以M^、末端電池中的水。在一個(gè)實(shí)船案中，貫穿^h燃 料電池組的輸出功率范圍，鄉(xiāng)電池的、鵬保持在80'C—85'C的范圍內(nèi)。根 據(jù)本發(fā)明另一個(gè)實(shí)施方案， 電池是電耦合串聯(lián)的，并且選擇用于控制 電池加熱器的控諱'臘號(hào)以將最熱的末端電池加熱到期望'鵬。0011結(jié)合附圖從下列描述和附加權(quán)利要求中本發(fā)明的附加特點(diǎn)將變得顯而
易見。
0012圖1是包括具有末端電池加熱器的分離電池組的燃料電池系統(tǒng)的示意 框圖；和
0013圖2是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)旨^于控制圖1中示出的燃料電池系 統(tǒng)的分離電池組中的末端電池加熱器的控制系統(tǒng)的框圖。
具體實(shí)施例方式
0014涉及1頓用于控制分離燃料電池組中糊電池加熱^t的腦電池 系統(tǒng)的下列本發(fā)明實(shí)施方案的討論實(shí)質(zhì)上僅Ji^例性的，并且不擬P艮制本發(fā)明 或其應(yīng)用或用途。
0015圖1是燃料電池系統(tǒng)10的示m圖，其包括第一分離燃料電池組12 和第二分離M電池組14。通常ililE^I/K未示出)，分離電池組12在線路16 上接收陰極輸入空氣流而分離電池組14在線路18上接收陰極輸入空氣流。在 線路20上從兩個(gè)分離電池組12和14中輸出陰極廢氣。分離電池組12和14 使用陽極流體，其中皿分離電池組電池12和14流向后面和前面的陽極反應(yīng) 氣體以預(yù)定周期移動(dòng)。因此，在線路22上陽極反應(yīng)氣體^A和流出分離電池 組12而在線路24上流入和流出分離電池組14。陽極連接線路26連接分離電 池組12和14中的陽，rait。
0016分離電池組12包括布置在分離電池組12 ^電池內(nèi)部的末端電池加 熱器28和30。同樣地，分離電池組14包括布置在分離電池組14末端電池內(nèi) 部的末端電池加熱器32和34。 ^電池加熱器28—34布置在分離電池組12 和14 電池中的^1^ ,例如斜及板和MEA之間，使得齡分離電池組 12和14包括兩個(gè)末端電池加熱器。加皿28-34可以是用于這個(gè)目的的任何 合適的加熱器，例如電阻加熱器。正如本領(lǐng)域中熟知的，y^P液流過冷卻劑回 路36及分離電池組12和14中的辨卩液流動(dòng)鵬以控制它們的工作鵬。
0017根據(jù)本發(fā)明，控制末端電池加M28-34使得它們的、iat保持在預(yù)定
、鵬，該預(yù)定、鵬比燃料電池系統(tǒng)10的工作、驗(yàn)髙。具體而言，艦^31冷 卻劑回路36的7賴P液的、MJt^第盼離電池組12和14的工作驗(yàn)。在低電 池組負(fù)載中，冷卻液的皿可以降到低至60'C，而在高電池組負(fù)載中，冷卻液 溫度可以升至80。C。根據(jù)本發(fā)明，由末端電池加熱器28-34提供的溫度并不 依賴于冷卻液MJt，而，持在貫穿整個(gè)功率范圍的高溫和系統(tǒng)10的冷卻液
0018本領(lǐng)域中已知用于燃料電池的某纖的玻璃化轉(zhuǎn)變鵬為約90'C。根 據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí) 案，控制^電池加熱器28 -34使得分離電池組12和 14的末端電池M在8(TC-85'C范圍內(nèi)，和尤其是82'C。如果分離電池組12 和14的電流密度小于0.2 Acm2,因?yàn)楹姵丶訜崞?8-34在這種低負(fù)辦卩僅 添加附加負(fù)載的情況下不是有效的，所以將末端電池加 范圍中的鵬是尤 其有效的。船卜，如果y襯卩液鵬降到低于60'C，因?yàn)樵谳^低驗(yàn)中存在很多 水，其能輕易地阻塞末端電池中的流動(dòng)通道，在范圍中加熱末端電池是同## 別有效的。同樣加繊28-34添加負(fù)載至係統(tǒng)中，其對(duì)盡快地將系統(tǒng)10加熱 到系統(tǒng)啟動(dòng)的理想工作,是有幫助的。
0019通常來說，末端電池加熱器28-34是串聯(lián)電連接的。因?yàn)橄到y(tǒng)10使 用分離電池組12和14中陽極流動(dòng)mit^間的流動(dòng)變化，分離電池組12和14 將具有潮濕端和干燥端，取決于 氫氣被傳^卿|5個(gè)電池組中。分離電池組 12和14的潮濕端電池傾向于與分離電池組12和14的干燥端電池加熱不一樣 快。這導(dǎo)致緲卜的7j^存在于潮濕端，其必須通過電池加繊加熱，這導(dǎo)致需要 更多的能量以加繊濕端。
0020為了克月,于糊電池加熱器串聯(lián)的這個(gè)問題，本發(fā)明建議感i^W 電池的,并及時(shí)g最熱的末端電池皿合適的電流到任何特定點(diǎn)的期望溫度。
0021圖2是控制系統(tǒng)40的框圖，控制系綱于控制糊電池加熱器48的 溫度，代^^電池加熱器28-34。在輸入線42處提供用于末端電池力鵬 48的期望溫度設(shè)置點(diǎn)信號(hào)給比較器44。比較器44的輸出信號(hào)縱給比例-積分 -微辦10)控審藤46，麟體點(diǎn)信號(hào)轉(zhuǎn)化為適舒控審鵬電池加繊48的 脈沖寬度調(diào)1[(PWM)^號(hào)。在高脈沖過程中PWM信號(hào)導(dǎo)1S^端電池加熱器48 提供加熱并在低脈沖，中關(guān)閉。旨末端電池加熱器28 - 34包括例如熱電偶
的鍵傳 ,其提供指示末端電池、鵬的信號(hào)。例如，輸出線50給分離電 池組12的干燥端提供、皿信號(hào)，輸出線52給分離電池組12的潮濕端提供溫 度信號(hào)，輸出線54給分離電池組14的千燥端JH^at信號(hào)和輸出線56給分 離電池組14的潮濕端皿M信號(hào)。將所有這^t號(hào)提供給最大iMb理器58， 其衫隨象征最熱末端電池、SJt的最高溫度信號(hào)，該信號(hào)在線路60上輸入到比 較器44中。比較器44 ，誤，號(hào)給溫度設(shè)置點(diǎn)和實(shí)際、,之間不同的PID 控帶勝46，使離制所有末端電池加繊48到最熱末端電池的驗(yàn)。
0022在其它實(shí)施方案中，末端電池加熱器28-34可能不是串聯(lián)的，但是其 被獨(dú)立控制。在實(shí)施方案中，控制系統(tǒng)可能包括用于^末端電池加熱器的PID 控制器，使得它們育灘被彼此^^控制。此外，對(duì)于包括兩個(gè)末端電池加熱 器的單一電池組設(shè)計(jì)，控制末端電池加熱器的,適用。
0023±^討論僅僅公開和描述了本發(fā)明的典型實(shí) 案。本領(lǐng)^^:人員 在不背離隨后權(quán)禾腰求中限定的本發(fā)明范圍和樹中的情況下肖^從這種討論和 附圖以及權(quán)利要求中做出各種變化、，和變動(dòng)。
權(quán)利要求
1、一種燃料電池系統(tǒng)，包括包括第一末端電池和第二末端電池的燃料電池組；布置在第一末端電池中的第一末端電池加熱器和布置在第二末端電池中的第二末端電池加熱器；和控制器，所述控制器提供控制信號(hào)給第一和第二末端電池加熱器使得第一和第二末端電池的溫度保持在高于燃料電池組工作溫度的溫度。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1的系統(tǒng)，其中控帝幡控制^電池的MJt在80D-85 'C的范圍內(nèi)。
3、 根據(jù)權(quán)利要求2的系統(tǒng)，其中控銅J^制，電池的,為82'C。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1的系統(tǒng)，其中第一和第二鄉(xiāng)電池加繊是電齢串 聯(lián)的，所鵬制器選擇用于第一和第二鄉(xiāng)電池加繊的控帝臘號(hào)，所述加熱 器加熱末端電池到最熱末端電池的期望溫叟。
5、 根據(jù)權(quán)利要求4的系統(tǒng)，其中第一和第二末端電池包括MJt傳感器， 所述、鵬傳S^供溫度信號(hào)給指示末端電池鵬的控偉幡，使得基于最熱末 端電池的鵬肖嫩加熱，電池。
6、 根據(jù)權(quán)利要求l的系統(tǒng)，其中如果辨P液溫叟是60'C或;M低，則控制 器控制第一 和第二末端電池加，以加熱末端電池到比用于冷卻電池組的辨卩 液,髙20'C的旨。
7、 根據(jù)權(quán)利要求l的系統(tǒng)，其中如果電池組的電流密度是0.2 Acrtf或更 小，貝啦偉攞控制第一和第二糊電池加繊以加熱末端電池到比用于冷卻電 池組的)ti卩液皿高20'C的SJt。
8、 根據(jù)權(quán)利要求1的系統(tǒng)，其中貫穿電池組的整個(gè)功率范圍控制器保持 末端電池的,高于燃料電池組的工作溫度。
9、 一種燃料電池系統(tǒng)，包括包括第一末端電池和第二，電池的第一分離電池組； 包括第三末端電池和第四末端電池的第二分離電池組； 布置在第一末端電池中的第一末端電池加熱器、布置在第二末端電池中的 第二末端電池加熱器、布置在第三末端電池中的第三末端電池加熱器禾蹄置在 第四末端電池中的第四末端電池加熱器；和用于控制第一、第二、第三和第四末端電池加熱器以控制第一、第二、第 三和第四末端電池、鵬的控制器，所述控制鵬供控制信號(hào)給第一、第二第 三和第四糊電池加熱器，使得保持第一、第二第三和第四末端電池的鵬 始鄉(xiāng)持高于第一和第二分離電、鵬的工怍鵬。
10、 根據(jù)權(quán)利要求9的系統(tǒng)，其中當(dāng)辨卩液的、驗(yàn)是60'C或更^^第 一和第二分離電池組上負(fù)載是0.2 AcitfsS^低時(shí)，控庫幡加熱第一、第二第 三和第四末端電池的溫度到比Jt4卩液溫度高20'C的亂度，該,液冷卻第一和 第二分離電池組。
11、 根據(jù)權(quán)禾腰求9的系統(tǒng)，其中控庫i鵬制鄉(xiāng)電池的鵬在80'C-85 。C的范圍內(nèi)。
12、 根據(jù)權(quán)利要求ll的系統(tǒng)，其中控帶J^制末端電池的溫度為82t:。
13、 根據(jù)權(quán)利要求9的系統(tǒng)，其中第一、第二、第三和第四末端電池加熱 器是電耦合串聯(lián)的，所述控制器選擇用于第一、第二、第三和第四末端電池加 熱器的控制信號(hào)，該末端電池加熱器加熱末端電池到最熱末端電池的期望溫度。
14、 根據(jù)權(quán)利要求13的系統(tǒng)，其中第一、第二第三和第四末端電池包 括，傳自，所it溫度傳感tm供旨信號(hào)給指示末端電池溫叟的控制器， 使得控制器獸辦基于最熱鄉(xiāng)電池的、鵬加熱糊電池。
15、 一種用于控律鵬料電池組中^電池,的方法，該方,括^^料電池組的 電池中提供糊電池加熱器；和 控制^電池加^^使得^電池的,高于燃料電tM的工作,。
16、 根據(jù)權(quán)利要求15的方法，其中控偉抹端電池加繊包括控制 電 池加熱器到具有80'C - 85 'C范圍內(nèi)的溫度。
17、 根據(jù)權(quán)利要求16的方法，其中控制糊電池加繊包括控制糊電 池加熱器到具有82 'C的溫度。
18、 根據(jù)權(quán)利要求15的方法，還包括^ij末端電池的,和基于最熱末 端電池而控制末端電池的,。
19、 根據(jù)權(quán)利要求15的方法，其中如m^iP、般60'C或更低或奮麟電 池組的輸出負(fù)載是0.2 Acm2鞭少，貝啦衝鵬電池加熱器包括控制糊電池 加 ，使得末端電池的溫度比辨卩燃料電池組的冷卻液的溫度高20'C 。
20、根據(jù)權(quán)利要求15的方法，其中控制末端電池加艦使得末端電池的 溫度高于燃料電池組的工作溫度包括貫穿旨電池組的功率范圍保持末端電池 的M高于燃料電池組的工作^Jt。
全文摘要
一種燃料電池系統(tǒng)，其在燃料電池系統(tǒng)中的燃料電池組的末端電池中使用末端電池加熱器，其始終保持末端電池的溫度高于電池組的工作溫度，以減少末端電池中的水。在一個(gè)實(shí)施方案中，貫穿燃料電池組的整個(gè)輸出功率范圍，末端電池的溫度保持在80℃-85℃的范圍內(nèi)。根據(jù)本發(fā)明另一個(gè)實(shí)施方案，末端電池是電耦合串聯(lián)的，并且選擇用于控制末端電池加熱器的控制信號(hào)以將最熱的末端電池加熱到期望溫度。
文檔編號(hào)H01M8/04GK101098023SQ20071013883
公開日2008年1月2日 申請(qǐng)日期2007年6月27日 優(yōu)先權(quán)日2006年6月27日
發(fā)明者A·B·阿爾普, D·A·阿瑟, J·穆斯羅 申請(qǐng)人:通用汽車環(huán)球科技運(yùn)作公司