用于控制燃料電池電壓的系統(tǒng)和方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及燃料電池功率系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]燃料電池根據(jù)極化曲線產(chǎn)生電壓。極化曲線描述了作為燃料電池電流或燃料電池電流密度的函數(shù)關(guān)系的燃料電池電壓。一般而言，隨著燃料電池供給的電流從零增加，燃料電池電壓通過活化區(qū)域開始迅速地下降，然后通過歐姆區(qū)域近似線性地下降，再后通過質(zhì)量傳遞區(qū)域更迅速地下降。在很多情況下，希望改變?nèi)剂想姵氐臉O化曲線。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明描述了一種用于控制燃料電池產(chǎn)生的電壓的系統(tǒng)和方法。所述系統(tǒng)涉及到在燃料電池的空氣出口和燃料電池的空氣入口之間設(shè)置再循環(huán)管線。至少一個可控設(shè)備被構(gòu)造成允許改變通過所述再循環(huán)管線的流量?？刂破鞅辉O(shè)置用來控制所述可控設(shè)備。所述方法涉及到改變空氣出口到空氣入口的再循環(huán)流量，從而提供燃料電池電壓的所需變化。
【附圖說明】
[0004]圖1是燃料電池功率系統(tǒng)的示意圖。
【具體實施方式】
[0005]圖1示出了燃料電池功率系統(tǒng)10，可選擇地稱為燃料電池功率模塊。系統(tǒng)10包括燃料電池堆12、吹風(fēng)機14、空氣入口管線16、吹風(fēng)機入口管線18、空氣出口管線20、再循環(huán)管線22(可選擇地被稱為旁路管線)、排氣閥24、再循環(huán)閥26(可選擇地被稱為旁路閥)、電壓傳感器28、控制器30和溫度傳感器32。系統(tǒng)10也包括若干其他的常規(guī)元件，例如為了強調(diào)系統(tǒng)10的更多材料元件而未在圖1中示出的氫氣供給。系統(tǒng)10中的元件構(gòu)成可以被改變。例如，可以僅存在排氣閥24和再循環(huán)閥26之一。在另一個例子中，相同的系統(tǒng)可以配置有連接到空氣出口管線20的吹風(fēng)機14。
[0006]在操作中，氫氣和空氣流過燃料電池堆12。一些或全部的氫氣通過與來自空氣的氧氣在燃料電池堆中反應(yīng)而被消耗。相對于空氣量，過量的空氣將會攜帶化學(xué)計量量的氧氣與氫氣反應(yīng)，并流過燃料電池堆。過量的空氣用于將水分從燃料電池堆除去并且有助于確保燃料電池堆內(nèi)的局部區(qū)域不缺氧。在入口測量到的過量的空氣量通常是將會攜帶化學(xué)計量量的氧氣的空氣量的1.5?3倍。為了簡便起見，這種過量的空氣量被描述為“N倍的化學(xué)計量量”。
[0007]在一些情況下，燃料電池產(chǎn)生的電壓不是特別地重要。然而，在其他情況下，電壓根據(jù)極化曲線隨著電流的變化會造成問題。例如，燃料電池經(jīng)常與電池并聯(lián)連接以提供混合電力供給系統(tǒng)。隨著從混合系統(tǒng)引出的電流變化，電池和燃料電池的極化曲線中的差異可能會導(dǎo)致電池或燃料電池對于總功率需求的過度貢獻。電池或燃料電池可能會過熱。因此，希望能夠使燃料電池的操作就好像它具有更近似電池的極化曲線。在其他情況下，由燃料電池供電的設(shè)備具有可以使特定的極化曲線是所希望的特點。在一些情況下，希望具有更近似平坦的極化曲線。在其他情況下，對于歐姆區(qū)域中的極化曲線的斜率而言，希望更近似恒定或進一步延伸到活化區(qū)域。在這些情況下，有時通過使用DC-DC電壓轉(zhuǎn)換器來實現(xiàn)產(chǎn)生所需的電壓輸出。
[0008]在系統(tǒng)10中，可以準許空氣通過打開再循環(huán)閥26流過再循環(huán)管線22。利用至少部分打開的再循環(huán)閥26，空氣出口管線20和吹風(fēng)機14的吸入側(cè)之間的壓力差造成在再循環(huán)管線22中的流動。通過打開再循環(huán)閥26可以增加或者通過關(guān)閉再循環(huán)閥26可以減少再循環(huán)管線22中的流動。當(dāng)再循環(huán)閥26至少部分打開時，關(guān)閉排氣閥24增加了在再循環(huán)管線22中的流動，并且打開排氣閥24減少了在再循環(huán)管線22中的流動。因此，可以調(diào)節(jié)排氣閥24和再循環(huán)閥26中的一個或二者來改變再循環(huán)管線22中的流量。盡管調(diào)節(jié)閥門24、26可能會影響由通過燃料電池堆12吹入空氣引發(fā)的總流壓損失，并因此影響通過燃料電池堆12的總空氣流量，但是總流量變化很小且其對該過程并不是很重要。調(diào)節(jié)一個或多個閥門24、26的更重要結(jié)果是可以改變?nèi)剂想姵囟?2的空氣側(cè)的氧分壓。這種效果將在下面的例子中說明。
[0009]環(huán)境空氣含有約20.9%的氧氣。為了簡化以下的討論，可以假定環(huán)境空氣具有20%的氧氣和80%的氮氣，并且在以下句子中所有百分比與環(huán)境空氣中的這些量成比例。如果環(huán)境空氣以3倍的化學(xué)計量量被供給到燃料電池堆12，那么進入的空氣具有由60%的氧氣和240的％氮氣構(gòu)成的300%的總流量。隨著空氣通過燃料電池堆12，1個化學(xué)計量量的氧氣(或20 % )被氫氣消耗。產(chǎn)生的廢氣具有由40 %的氧氣和240 %的氮氣構(gòu)成的280 %的流量。廢氣中的氧氣與總氣體的比例現(xiàn)在是1:7而不是環(huán)境空氣中的1:5。如果一些或全部的廢氣再次通過燃料電池堆12，那么獲得氧氣與總氣體的更低的比例，即使其被需要提供補給空氣而部分地減小。在相對于化學(xué)計量量較低的總空氣流量下操作的系統(tǒng)可以在氧氣與總氣體的比例中實現(xiàn)更大的變化。
[0010]調(diào)節(jié)一個或多個閥門24、26來控制流過燃料電池堆12的廢氣和環(huán)境空氣的相對量。其反過來控制燃料電池堆的空氣側(cè)氧氣與總氣體的比例。這個比例反過來會造成燃料電池堆的空氣側(cè)的氧分壓的變化。燃料電池堆12的電壓隨著氧分壓的變化比隨著總氣體流的變化更多。較高的氧分壓在給定電流輸出中產(chǎn)生較高的電壓，而較低的氧分壓在給定電流輸出中產(chǎn)生較低的電壓。一般來說，改變氧分壓會改變極化曲線的形狀。盡管氧分壓變化，但是通過燃料電池堆的總空氣流量維持在或高于針對用于除去水所選定的最小流量。此外，只要廢氣/環(huán)境空氣共混物中的氧氣量不會導(dǎo)致少于I個化學(xué)計量量的氧氣流，則高的總空氣流量有助于輸送足夠的氧氣到燃料電池堆12的所有部位。
[0011]為了能夠?qū)崟r控制，閥門24、26中的一個或二者與控制器30連接?？刂破?0可以被編程，從而以基于給出被預(yù)測在不同的操作條件下產(chǎn)生所需的電壓的閥門運動的存儲公式或表格的預(yù)定方式來調(diào)節(jié)閥門24、26中的一個或二者。任選地，控制器30與連接到燃料電池堆12的電壓傳感器28連接，從而允許反饋回路以允許響應(yīng)于所需和實際壓力之間的差異來調(diào)節(jié)閥門24、26中的一個或二者。此外，任選地，控制器30可以與溫度傳感器32連接以提供緊急規(guī)避特性。如果燃料電池堆12處于過熱的危險中，那么控制器30可以調(diào)節(jié)閥門24、26中的一個或二者以降低電池堆電壓。
[0012]可選擇地，控制器30可以是較大系統(tǒng)的一部分或與其連接。在這種情況下，可以由較大系統(tǒng)的任一部分來確定燃料電池電壓變化的需求。例如，如果燃料電池堆12與電池并聯(lián)連接，那么電池電壓可以傳達到控制器30，然后調(diào)節(jié)一個或多個閥門24、26以便更加近似地匹配電池的電壓、朝著電池的電壓移動或者在相對于電池電壓的范圍內(nèi)。在這種情況下，電壓傳感器28仍然可以用來提供在較大系統(tǒng)的外部控制回路的里面操作的內(nèi)部控制回路。
[0013]上面提到的電池包括組集或者與燃料電池堆12并聯(lián)連接或串并聯(lián)的一些組合連接的電池的其他組件。類似地，系統(tǒng)10可以具有多個燃料電池堆12，或者多個系統(tǒng)10可以組裝成組集或其他結(jié)構(gòu)，然后連接到一個或多個電池。在這種情況下，可以控制一個或多于一個的燃料電池堆12或系統(tǒng)10，以控制整個組件的電壓，從而更近似地匹配并聯(lián)連接的一個或多個電池的電壓。當(dāng)燃料電池功率系統(tǒng)10與負載在沒有電池的情況下連接時，例如直接連接或通過DC-DC電壓轉(zhuǎn)換器連接，也可以使用這里描述的方法和裝置。所述的方法和裝置可以有助于保持燃料電池功率系統(tǒng)10的電壓在負載(例如，計算機服務(wù)器或其他電子設(shè)備，例如，D C電網(wǎng)數(shù)據(jù)中心)所需的范圍內(nèi)。
【主權(quán)項】
1.一種裝置，其包括: a)具有空氣入口和空氣出口的燃料電池堆； b)在所述燃料電池堆的空氣出口和所述燃料電池堆的空氣入口之間的再循環(huán)管線； c)被構(gòu)造成允許改變通過所述再循環(huán)管線的流量的至少一個可控設(shè)備;和 d)可操作用來控制所述至少一個可控設(shè)備的控制器。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述至少一個可控設(shè)備包括閥門。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的裝置，其中所述閥門位于所述再循環(huán)管線中或所述空氣出口處。4.根據(jù)權(quán)利要求1?3中任一項所述的裝置，還包括與所述燃料電池和所述控制器連接的電壓傳感器。5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的裝置，其中所述控制器被構(gòu)造成操作所述至少一個可控設(shè)備，從而接近于、更加近似地匹配所述燃料電池堆的所需電壓或者在其范圍內(nèi)。6.根據(jù)權(quán)利要求1?5中任一項所述的裝置，還包括一個或多個電池。7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的裝置，其中所述燃料電池堆與所述一個或多個電池并聯(lián)連接，并且所述控制器被構(gòu)造成操作所述至少一個可控設(shè)備，使得所述燃料電池堆的電壓更近似地匹配所述一個或多個電池的電壓或其一部分。8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的裝置，其中所述控制器被編程，從而控制所述至少一個可控設(shè)備達到與所需電壓有關(guān)的預(yù)定方式。9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的裝置，其中所述控制器被編程，從而考慮到所述燃料電池堆產(chǎn)生的實際電壓來調(diào)整預(yù)定設(shè)置。10.根據(jù)權(quán)利要求1?9中任一項所述的裝置，還包括與所述燃料電池堆和所述控制器連接的溫度傳感器。11.根據(jù)權(quán)利要求1?10中任一項所述的裝置，其與負載直接連接或通過DC-DC電壓轉(zhuǎn)換器連接。12.一種方法，其包括: a)提供具有空氣入口和空氣出口的燃料電池堆以及在所述燃料電池的空氣出口和所述燃料電池的所述空氣入口之間的再循環(huán)管線;和 b)通過所述再循環(huán)管線，將經(jīng)由所述空氣出口排放的空氣的一部分再循環(huán)到所述空氣入口。13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，還包括改變所述再循環(huán)管線中的空氣流量，從而提供燃料電池堆電壓的所需變化。14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其中所述燃料電池堆電壓的所需變化是為了更加近似地匹配與所述燃料電池堆或其一部分并聯(lián)連接的一個或多個電池的電壓。15.根據(jù)權(quán)利要求12?14中任一項所述的方法，其中通過控制閥門來改變所述再循環(huán)管線中的空氣流量。16.根據(jù)權(quán)利要求12?15中任一項所述的方法，包括以下步驟:查詢與所述燃料電池堆連接的電壓傳感器。
【專利摘要】本發(fā)明描述了一種用于控制燃料電池產(chǎn)生的電壓的系統(tǒng)和方法。所述系統(tǒng)涉及到在燃料電池的空氣出口和燃料電池的空氣入口之間設(shè)置再循環(huán)管線。至少一個可控設(shè)備被構(gòu)造成允許改變通過所述再循環(huán)管線的流量。控制器被設(shè)置用來控制所述可控設(shè)備。所述方法涉及到改變空氣出口到空氣入口的再循環(huán)流量，從而提供燃料電池電壓的所需變化。
【IPC分類】H01M8/04537, H01M8/04746, H01M8/04858, H01M8/12
【公開號】CN105556724
【申請?zhí)枴緾N201480036214
【發(fā)明人】納撒尼爾·伊恩·約斯, 保羅·福特
【申請人】水吉能公司
【公開日】2016年5月4日
【申請日】2014年3月6日
【公告號】CA2913376A1, CA2913553A1, CN105556723A, EP3005456A1, EP3005457A1, US20160111741, US20160118679, WO2014186880A1, WO2014186881A1