專利名稱：：用于燃料電池系統(tǒng)的陰極入口氣流的熱控制的制作方法
技術領域：
：本發(fā)明涉及一種燃料電池系統(tǒng)的操作方法。更詳細地講，本發(fā)明涉及一種用于氫燃料電池中陰極入口氣流熱控制的方法和設備。
背景技術：
：在最現(xiàn)代的燃料電池系統(tǒng)中，壓縮機將壓縮空氣提供給燃料電池組，并且水蒸汽傳遞單元在壓縮空氣進入燃料電池組之前使其潮濕。以燃料電池操作所需的空氣質量流量(massflowrate)脫離壓縮機的氣流的溫度通常超過水蒸汽傳遞單元所希望的熱界限?？刂葡到y(tǒng)通常使用熱交換器以保持脫離壓縮機的氣流溫度低于水蒸汽傳遞單元的熱界限。在這種燃料電池系統(tǒng)中，流到熱交換器中的冷卻劑不能停止。存在可能希望加熱進入陰極的氣流的情況，例如在啟動燃料電池時，但是進入熱交換器的冷卻劑溫度較低并且冷卻空氣。因此，不必要地延長了達到所希望的操作溫度所需的時間。此外，這種燃料電池系統(tǒng)不能保持對進入水蒸汽傳遞單元的氣流的有效控制，并且不能夠保持所希望的溫度。這妨礙了水蒸汽傳遞單元以最適宜的水平運行。希望研制一種用于精確控制進入水蒸汽傳遞單元的氣流溫度的方法和設備，其可保持所希望的溫度并且減少氣流達到所希望的操作溫度所需的時間。
發(fā)明內容根據本發(fā)明已經令人驚訝地被發(fā)現(xiàn)一種用于控制進入燃料電池系統(tǒng)中水蒸汽傳遞單元的氣流溫度的方法和設備。這種方法將進入水蒸汽傳遞單元的氣流保持在所希望的溫度，并且減少氣流達到最適宜的操作溫度所需的時間。在一個實施例中，該用于燃料電池系統(tǒng)中氣流熱控制的方法包括步驟提供流體地(fluidly)連接到熱交換器上的系統(tǒng)冷卻劑回路，熱交換器流體地連接到燃料電池組上，并且系統(tǒng)冷卻劑回路包含第一流體；在燃料電池系統(tǒng)中預定的點處確定實際的氣流溫度；在預定的點處確定所希望的氣流溫度；以及控制第一流體的至少一部分從系統(tǒng)冷卻劑回路到熱交換器的流動作為在預定的點處的實際的氣流溫度和所希望的氣流溫度的函數以獲得所希望的溫度。在另一個實施例中，該用于燃料電池系統(tǒng)中氣流熱控制的方法包括步驟提供燃料電池組、第一流體、系統(tǒng)冷卻劑回路、熱交換器、至少一個水蒸汽傳遞單元、第一閥、第二閥以及輔助冷卻熱交換器；在水蒸汽傳遞單元的入口處確定實際的氣流溫度；確定所希望的氣流溫度作為溫度的函數，在所希望的氣流溫度下水蒸汽傳遞單元以最高的效率操作；以及用第一閥和第二閥控制第一流體的至少一部分從系統(tǒng)冷卻劑回路到熱交換器的流動以獲得所希望的溫度，其中第一閥在開啟時將一部分第一流體從系統(tǒng)冷卻劑回路引入熱交換器中，而第二閥在開啟時將冷卻劑乂人系統(tǒng)冷卻劑回^^在冷卻劑進入熱交換之前S1入輔助冷卻熱交換器中。在另一個實施例中，用于燃料電池系統(tǒng)中氣流熱控制的設備包括經由第一管道流體地連接到燃料電池組陰極側上的空氣壓縮機、設置在空氣壓縮機和燃料電池組陰極側之間的第一管道中的熱交換器、設置在熱交換器和燃料電池組陰極側之間的第一管道中的至少一個水蒸汽傳遞單元、設置在熱交換器和水蒸汽傳遞單元之間的管道中的溫度傳感器、經由第二管道流體地連接到熱交換器上并且經由第三管道流體地連接到系統(tǒng)冷卻劑回路上的閥陣列、經由第四管道流體地連接到閥陣列上并且經由第二管道流體地連接到熱交換器上的輔助冷卻熱交換器、經由第一線路與閥陣列電連通并且經由第二線路與溫度傳感器電連通的控制系統(tǒng)，其中控制系統(tǒng)響應從溫度傳感器接收的電信號并且選擇性地影響閥陣列以將第一流體從系統(tǒng)冷卻劑回路引入熱交換器和輔助冷卻熱交換器中的至少一個中以獲得離開管道并進入水蒸汽傳遞單元的空氣的所希望的溫度。通過下列優(yōu)選實施例的詳細描述同時參照附圖，本發(fā)明的上述以及其它優(yōu)點對本領域技術人員來說將變得顯而易見，其中圖1是根據本發(fā)明的實施例的燃料電池系統(tǒng)的示意圖2是顯示閥命令(valvecommand)作為用于圖1所示燃料電池系統(tǒng)的總的工作循環(huán)(dutycycle)百分比的曲線的曲線圖3是顯示圖1中所示燃料電池系統(tǒng)所希望的陰極空氣設定值與實際的溫度控制攝氏度對時間相比較的曲線的曲線圖；以及圖4是水蒸汽傳遞單元的不完全透視圖并且根據圖1中所示本發(fā)明的實施例示意性地顯示了關聯(lián)的部件。具體實施例方式下列詳細描述以及附圖描述和顯示了本發(fā)明各種示例性的實施例。該描述和附圖用以使本領域技術人員能夠制造和使用本發(fā)明，而并非意在以任何方式限制本發(fā)明的范圍。關于所公開的方法，所展示的步驟實際上是示例性的，并且因而該步驟的順序不是必需或緊要的?，F(xiàn)在參照圖1,顯示了帶有關聯(lián)部件的燃料電池系統(tǒng)的基本布置；在實踐中可能存在許多變型。圖示燃料電池組10集成到燃料電池系統(tǒng)中并且包括多個如圖所示串聯(lián)電連接的單獨的燃料電池。應當進一步理解的是，單獨的燃料電池可以并聯(lián)電連接而不脫離本發(fā)明的范圍。燃料電池組10所有單獨的燃料電池的陽極側以本領域公知的方式連接在一起，對于合成的陽極側組用參考標號12標明。以相似的方式，將燃料電池組10燃料電池的陰極側以本領域公知的方式連接在一起，對于合成的陰極側組用參考標號14標明。各種類型燃料電池系統(tǒng)的操作在本領域中是公知的；在共同擁有的專利6,849,352中可以找到一個實施例，該專利通過引用整體地結合于本文中。因此，僅燃料電池系統(tǒng)的操作作為和本發(fā)明有關的內容將在描述中說明。在這里描述的示例性的實施例中，燃料電池系統(tǒng)包括控制系統(tǒng)16。控制系統(tǒng)16經由線路(connection)18電連接到電動機20上。線路18可為電連通的任何常規(guī)方式。電動機20與壓縮機22結合。壓縮機22經由空氣供應管道26與燃料電池組10的陰極入口24流體連通。管道26可為提供密封通道的任何常規(guī)管道。增濕器(humidifier)28設置在壓縮機22和陰極入口24之間的管道26中。增濕器28包括至少一個水蒸汽傳遞單元23和入口溫度傳感器25。入口溫度傳感器25經由線路27與控制系統(tǒng)16電連通。水蒸汽傳遞單元23與陰極排放(cathodeexhaust)15以及系統(tǒng)排放(systemexhaust)流體連通，如圖4中所示。熱交換器30設置在壓縮機22和增濕器28之間的管道26中。熱交換器30經由管道32與閥陣列35流體連通。閥陣列35包括旁通閥36和冷卻閥38。旁通閥36經由管道40與燃料電池系統(tǒng)冷卻劑回路58以及冷卻閥38流體連通。排放管道31將熱交換器30和燃料電池系統(tǒng)冷卻劑回路58流體地連接?？刂葡到y(tǒng)16經由線路56與旁通閥36電連通，并且經由線路54與冷卻閥38電連通。冷卻閥38經由管道50與輔助冷卻熱交換器51流體連通。輔助冷卻熱交換器51經由管道52與熱交換器30流體連通。輔助冷卻熱交換器51可為任何適當大小的冷卻熱交換器，例如輪罩散熱器(wheelhouseradiator)。在操作中，空氣經由管道42供應給壓縮機22。壓縮機22由電動機20驅動。由壓縮機22壓縮的空氣經由管道26經過熱交換器30和增濕器28供應給燃料電池組10的陰才及入口24。脫離壓縮機22的壓縮空氣的溫度通常高于便于水蒸汽傳遞單元23有效操作的所希望的溫度。以燃料電池操作正常必需的流量離開壓縮機22的空氣通常大約為120攝氏度。水蒸汽傳遞單元23在所示的實施例中可接受的熱界限是約90攝氏度。熱交換器30以本領域公知的方式影響行進經過熱交換器30的空氣溫度。冷卻劑(未顯示)經由管道32進入熱交換器30。循環(huán)經過熱交換器30的冷卻劑的溫度和流動受到控制以達到所希望的空氣溫度。通常，在正常操作過程中當周圍溫度約為20攝氏度時，冷卻劑保持在大約60到80攝氏度。水蒸汽傳遞單元23在將空氣輸送到燃料電池組10之前通過將濕氣從陰極排放15中的一部分空氣傳送到管道26中的氣流內使空氣潮濕。希望控制空氣濕度以使燃料電池組IO的操作最優(yōu)化。此外，希望保持進入增濕器28和水蒸汽傳遞單元23的空氣溫度以便輔助增濕過程。進入增濕器28的空氣溫度由入口溫度傳感器25測量，并且經由線路27傳達給控制系統(tǒng)16。在這里所示的實施例中，包括閥36、38的閥陣列35保持了進入增濕器28和水蒸汽傳遞單元23的所希望的空氣溫度。用于冷卻整個燃料電池系統(tǒng)的一部分冷卻劑從燃料電池系統(tǒng)冷卻劑回路58進入閥陣列35?？刂葡到y(tǒng)16經由線路56決定旁通閥36的位置，并且經由線路54決定冷卻閥38的位置。旁通閥36選擇性地-使冷卻劑繞過輔助冷卻熱交換器51并且進入熱交換器30。冷卻閥38在冷卻劑經由管道52進入熱交換器30之前選擇性地使冷卻劑經由管道50流動到輔助冷卻熱交換器51內。冷卻劑在通過熱交換器30之后經由排放管道31回到燃料電池系統(tǒng)冷卻劑回路58。進入增濕器28的氣流所希望的溫度通過用控制器16平tf經過閥36、38的冷卻劑流量保持。應當進一步理解的是，閥陣列35可包括不同的數量和排列的閥而不脫離本發(fā)明的范圍。在這個實施例中，首先必需選擇旁通閥36和冷卻閥38開啟多長時間，近似于緩慢的工作循環(huán)途徑(approach)，以便平衡經過閥36、38的冷卻劑流量并且保持進入增濕器28的氣流所希望的溫度。例如，如果最長的閥開啟時間是四秒，閥上75%的工作循環(huán)相當于三秒開啟和一秒關閉。為了說明當前發(fā)明的目的，假定最長的開啟時間已經選定并且該控制將僅根據工作循環(huán)論述。在圖2中顯示了閥命令方法70的極限，其中系統(tǒng)控制器16不保持經過熱交換器30的恒定的冷卻劑流量。在有些情況下例如從冷態(tài)啟動燃料電池組10時可能不希望保持恒定的冷卻劑流量。例如，如表格1中所示，如果進入熱交換器30的空氣溫度高于系統(tǒng)冷卻劑回路58中冷卻劑的溫度，則控制系統(tǒng)16執(zhí)行表格1中的最大加熱(l)。用于旁通閥38的0%工作循環(huán)以及用于冷卻閥36的0%工作循環(huán)限制了冷卻劑從燃料電池系統(tǒng)冷卻劑回路58到熱交換器30的流動，從而允許較暖的空氣進入增濕器28而沒有被較低溫度的冷卻劑冷卻。表格l<table>complextableseeoriginaldocumentpage11</column></row><table>可能進一步希望控制系統(tǒng)16執(zhí)行表格1中的最大力口熱(l),以便當燃料電池系統(tǒng)在低功率操作或空轉時提高效率和燃料消耗量。由壓縮機22壓縮的空氣溫度通常不會充分地增加到超過周圍溫度，并且當燃料電池系統(tǒng)在低功率操作或空轉時保持低于熱交換器30中冷卻劑的溫度。通常，燃料電池系統(tǒng)需要使用額外的燃料，以便在空轉和低功率操作過程中保持燃料電池組10溫度，這是因為進入熱交換器30的較冷的空氣降低了燃料電池系統(tǒng)冷卻劑回路58中冷卻劑的溫度。執(zhí)行最大加熱(l)限制了冷卻劑從燃料電池系統(tǒng)冷卻劑回路58到熱交換器30的流動，從而允許較冷的空氣進入增濕器28而不降低燃料電池系統(tǒng)冷卻劑回路58中冷卻劑的溫度。當來自陰極排放15中氣體的濕氣傳送給水蒸汽傳遞單元23中的空氣時，管道26中空氣的溫度將增加。如果系統(tǒng)冷卻劑回路58內冷卻劑的溫度大于進入熱交換器30的空氣溫度，那么控制系統(tǒng)16利用表格1中的最大加熱(2)控制閥陣列35。用于旁通閥38的100%工作循環(huán)以及用于冷卻閥36的0%工作循環(huán)允許來自系統(tǒng)冷卻劑回路58的冷卻劑進入熱交換器30而不經過輔助冷卻熱交換器51，并且因而在空氣進入增濕器28之前使空氣溫度上升。圖2顯示了用于閥命令方法70極限的閥工作循環(huán)。在備選的實施例中，控制閥陣列35的閥命令方法70的極限可利用比例-積分-微分控制器執(zhí)行，一般稱作PID控制器(未顯示)。表格1顯示了PID控制器的控制輸出對控制系統(tǒng)16執(zhí)行的旁通閥36和冷卻閥38的工作循環(huán)的轉換。PID控制器輸出是在最大加熱(l)和最大冷卻之間的飽和型(saturationtype)控制。當系統(tǒng)冷卻劑回路58的冷卻劑溫度大于壓縮機22外部的空氣溫度時，PID控制器以最大加熱(2)開始。圖3顯示了當燃料電池系統(tǒng)電流密度80從0.5A/cm2隨機地變成lA/cn^時，閥命令控制方法極限的結果。圖3證明了所希望的陰4l空氣溫度84接近地追蹤溫度控制82,并且閥命令方法70的極限產生所希望的結果。圖2還顯示了用于備選的控制方法，同步啟動控制方法72的冷卻閥38和旁通閥36工作循環(huán)曲線圖，其中控制系統(tǒng)16保持經過熱交換器30的恒定的冷卻劑流量。冷卻閥38和旁通閥36的同步啟動是所希望的，以便保持經過熱交換器30的冷卻劑恒定的流量。例如，如果所希望的控制是用于旁通閥36的25%工作循環(huán)和用于冷卻閥38的75%工作循環(huán)，那么旁通閥36^f又開啟總的工作循環(huán)的最初25%,而冷卻閥38僅開啟總的工作循環(huán)的剩余75%，以便確保存在到熱交換器30的恒定的冷卻劑流量。同步啟動控制方法72是從屬的應用，并且如果熱交換器30為最佳的效力需要恒定的冷卻劑流量，則可以是所希望的。通過前面的描述，本領域普通技術人員可容易地確定本發(fā)明的實質特征，并且不脫離本發(fā)明的精神和范圍而對本發(fā)明做出各種變化和變型以使其適應各種應用和狀況。權利要求1.一種用于燃料電池系統(tǒng)中氣流熱控制的方法，所述方法包括步驟(a).提供流體地連接到熱交換器上的系統(tǒng)冷卻劑回路，所述熱交換器流體地連接到燃料電池組上以提供所述氣流，并且所述系統(tǒng)冷卻劑回路包含流體；(b).確定在所述燃料電池系統(tǒng)中預定的點處的所述氣流實際的溫度；(c).確定在所述預定的點處的所述氣流所希望的溫度；以及(d).控制所述流體的至少一部分從系統(tǒng)冷卻劑回路到所述熱交換器的流動，使所述流動作為在所述預定的點處的所述氣流實際的溫度和所述氣流所希望的溫度的函數，以便獲得所述所希望的溫度。2.如權利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法包括在所述預定的點處用連接到所述氣流路徑中的溫度傳感器來執(zhí)行所述步驟(b)。3.如權利要求l所述的方法，其特征在于，所述流體是冷卻劑。4.如權利要求1所述的方法，其特征在于，所述預定的點是增濕單元的入口。5.如權利要求4所述的方法，其特征在于，所述增濕單元包括至少一個水蒸汽傳遞單元。6.如權利要求4所述的方法，其特征在于，所述方法包括通過確定所述所希望的溫度作為溫度的函數來執(zhí)行所述步驟(c)，所述至少一個水蒸汽傳遞單元在所希望的溫度下以最高效率操作。7.如權利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法包括用閥陣列來執(zhí)行所述步驟(d),以便控制所述流體的至少一部分從所述系統(tǒng)冷卻劑回路到所述熱交換器的流動。8.如權利要求7所述的方法，其特征在于，所述閥陣列包括第一分立閥和第二分立閥。9.如權利要求8所述的方法，其特征在于，所述笫一分立閥是旁通閥，并且所述旁通閥在開啟狀態(tài)將所述流體的至少一部分引出所述系統(tǒng)冷卻劑回路并且引入所述熱交換器。10.如權利要求8所述的方法，其特征在于，所述第二分立閥是冷卻閥，并且所述冷卻閥在開啟狀態(tài)將所述流體的至少一部分引出冷卻熱交換器。11.如權利要求10所述的方法，其特征在于，所述輔助冷卻熱交換器是輪罩散熱器。12.如權利要求8所述的方法，其特征在于，所述方法包括通過用閥命令方法極限控制所述第一分立閥和所述第二分立閥來執(zhí)行步驟(d)。13.如權利要求12所述的方法，其特征在于，所述閥命令方法極限利用比例-積分-微分控制器來執(zhí)行。14.如權利要求8所述的方法，其特征在于，所述方法包括通過用同步啟動控制方法控制所述第一分立閥和所述第二分立閥來執(zhí)行步驟(d)。15.—種用于燃料電池系統(tǒng)中氣流熱控制的方法，所述方法包括步驟(a).提供燃料電池組、系統(tǒng)冷卻劑回路中的流體、連接到至少一個水蒸汽傳遞單元上的熱交換器、第一閥、第二閥以及輔助冷卻熱交換器；(b).確定在所述水蒸汽傳遞單元入口處的氣流實際的溫度；(c).確定所述氣流所希望的溫度作為溫度的函數，所述水蒸汽傳遞單元在所述所希望的溫度下以最高效率操作；以及(d).用所述第一閥和所述第二閥控制所述流體的至少一部分從所述系統(tǒng)冷卻劑回路到所述熱交換器的流動，以便獲得所述所希望的溫度，其中，所述第一閥在開啟時將所述流體的一部分從所述系統(tǒng)冷卻劑回路引入所述熱交換器，而所述第二閥在開啟時將所述流體從所述系統(tǒng)冷卻劑回路在所述流體進入所述熱交換器之前引入所述輔助冷卻熱交換器。16.如權利要求15所述的方法，其特征在于，所述方法包括通過用閥命令方法極限控制所述第一分立閥和第二分立閥來執(zhí)行步驟(d)。17.如權利要求15所述的方法，其特征在于，所述閥命令方法極限利用比例-積分-微分控制器來執(zhí)行。18.如權利要求15所述的方法，其特征在于，所述方法包括通過用同步啟動控制方法控制所述第一分立閥和第二分立閥來執(zhí)行步驟(d)。19.一種用于燃料電池系統(tǒng)中氣流熱控制的設備，其包括經由第一管道流體地連接到燃料電池組陰極側上的空氣壓縮機5設置在所述空氣壓縮機和所述燃料電池組陰極側之間的所述第一管道中的熱交換器；設置在所述熱交換器和所述燃料電池組陰極側之間的第一管道中的至少一個水蒸汽傳遞單元；設置在所述熱交換器和所述至少一個水蒸汽傳遞單元之間的所述管道中的溫度傳感器；經由第二管道流體地連接到所述熱交換器上，并且經由第三管道流體地連接到系統(tǒng)冷卻劑回路上的閥陣列；經由第四管道流體地連接到所述閥陣列上并且經由所述第二管道流體地連接到所述熱交換器上的輔助冷卻熱交換器；經由第一線路與所述閥陣列電連通，并且經由第二線路與所述溫度傳感器電連通的控制系統(tǒng)，其中，所述控制系統(tǒng)響應從所述溫度傳感器接收的電信號并且選擇性地影響所述閥陣列，以便將流體從所述系統(tǒng)冷卻劑回路引入所述熱交換器和輔助冷卻熱交換器中的至少一個，從而獲得離開所述熱交換器并且進入所述至少一個水蒸汽傳遞單元的空氣的所希望的溫度。20.如權利要求19所述的設備，其特征在于，所述閥陣列包括旁通閥和冷卻閥。全文摘要一種用于燃料電池系統(tǒng)中氣流熱控制的方法和設備，其能夠精確地控制進入水蒸汽傳遞單元的氣流溫度，保持所希望的溫度設定值，并且減少氣流達到最適宜的操作溫度所需的時間。文檔編號H01M8/04GK101197451SQ20071019913公開日2008年6月11日申請日期2007年12月6日優(yōu)先權日2006年12月6日發(fā)明者J·R·科洛茲,P·C·梅農,S·D·伯奇,S·E·勒納申請人:通用汽車環(huán)球科技運作公司