本公開一般涉及用于控制燃料電池的方法和燃料電池系統(tǒng)。特別地，本公開涉及用于通過控制燃料電池的熱運(yùn)行參數(shù)來在燃料電池的運(yùn)行期間控制燃料電池的方法，以及配置為進(jìn)行這種方法的燃料電池系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

1、常規(guī)的燃料電池系統(tǒng)及運(yùn)行燃料電池系統(tǒng)的方法是鑒于假設(shè)和預(yù)測(cè)的運(yùn)行條件來設(shè)計(jì)的。例如，確定燃料電池的最大和最小功率輸出要求，然后制造和運(yùn)行燃料電池以滿足這些功率輸出要求。

2、例如，預(yù)測(cè)燃料電池的運(yùn)行期間的電流強(qiáng)度，并基于該電流強(qiáng)度形成極化曲線。這包括采用數(shù)學(xué)模型和模擬。一旦找到最佳極化曲線，就可以制造和運(yùn)行對(duì)應(yīng)的燃料電池。

3、然而，這樣的模型和模擬基于相當(dāng)靜態(tài)的運(yùn)行條件和/或理想的燃料電池堆以及理想的內(nèi)部燃料電池條件。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、因此，本公開的目的是提供一種用于在運(yùn)行期間控制燃料電池的方法和關(guān)聯(lián)的燃料電池系統(tǒng)，以便優(yōu)化燃料電池運(yùn)行。

2、該目的通過如在獨(dú)立權(quán)利要求中限定的本發(fā)明來解決。優(yōu)選實(shí)施例由從屬權(quán)利要求限定。

3、按照為了更好地理解本公開的第一方面，一種用于在燃料電池的運(yùn)行期間控制燃料電池的方法包括確定與燃料電池電連接的負(fù)載的功率需求。電連接到燃料電池的負(fù)載是燃料電池所產(chǎn)生的電力的電力消耗者。該負(fù)載的功率需求是針對(duì)當(dāng)前時(shí)間，即，在所述確定之后的瞬間或預(yù)定義時(shí)間段的。因此，可以確定和控制燃料電池的動(dòng)態(tài)負(fù)載。

4、該方法還包括感測(cè)燃料電池的電動(dòng)勢(shì)，并基于所感測(cè)的燃料電池的電動(dòng)勢(shì)確定燃料電池的可用電功率。感測(cè)的燃料電池的電動(dòng)勢(shì)是燃料電池的理論最大電壓，即，如果沒有負(fù)載由燃料電池供電，則理論上可用的最大電壓。

5、燃料電池的可用電功率是基于燃料電池的具體特性確定的。例如，可以采用預(yù)先確定的極化曲線來確定可用電功率。可替選地或另外地，可以基于感測(cè)的電動(dòng)勢(shì)直接查找可用電功率。

6、此外，該方法包括計(jì)算所確定的負(fù)載的功率需求與燃料電池的可用電功率之間的偏差，并控制燃料電池的熱運(yùn)行參數(shù)以補(bǔ)償所計(jì)算的偏差。

7、因此，在燃料電池的運(yùn)行期間，該方法允許相對(duì)于由燃料電池供電的負(fù)載的功率需求優(yōu)化燃料電池的可用電功率。這允許燃料電池的運(yùn)行參數(shù)的“實(shí)時(shí)”(在線)調(diào)整，以動(dòng)態(tài)運(yùn)行燃料電池。因此，可以校正和優(yōu)化燃料電池的運(yùn)行條件，這避免了燃料電池的退化(degradation)和/或燃料電池的運(yùn)行期間的效率損失。

8、燃料電池將例如來自氫氣和氧氣的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電、熱和水。其中，燃料電池中液態(tài)和氣態(tài)產(chǎn)物水的比例定義了燃料電池的運(yùn)行條件和效率。應(yīng)達(dá)到氣態(tài)水和液態(tài)水之間的平衡，以便燃料電池能在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行下運(yùn)行，這有利于燃料電池的使用壽命。例如，如果液態(tài)水的量增加，則電動(dòng)勢(shì)增加。更大量的液態(tài)水導(dǎo)致更大量的冷凝熱，這些冷凝熱需要例如通過冷卻燃料電池的冷卻劑系統(tǒng)排出。例如，為了處理更高的熱量，需要更大的熱交換器或更大量的冷卻劑。對(duì)于這兩種情況，結(jié)果都將是更大的發(fā)動(dòng)機(jī)，進(jìn)而更重的發(fā)動(dòng)機(jī)。

9、此外，當(dāng)從電池中去除水時(shí)浪費(fèi)更多的熱量，因?yàn)樗馁|(zhì)量流量高于氣態(tài)水。然而，歸因于熱損失，這導(dǎo)致燃料電池的效率損失。

10、此外，如果供應(yīng)給燃料電池的空氣(例如，作為氧氣的來源)的溫度較低，該比例也可能向液態(tài)水偏移。如果沒有認(rèn)識(shí)到這種偏移，就會(huì)產(chǎn)生更多的液態(tài)水，這導(dǎo)致更高的廢熱(效率損失)和催化劑降解率的增加。

11、公開的方法通過將燃料電池的負(fù)載的功率需求與可用電功率進(jìn)行比較來動(dòng)態(tài)(在線)運(yùn)行。通過控制燃料電池的熱運(yùn)行參數(shù)，可以保持平衡(在偏移發(fā)生之前)。負(fù)載的功率需求與可用電功率之間的這種比較以及熱運(yùn)行參數(shù)的控制可以按任何時(shí)間間隔進(jìn)行。僅僅作為例子，可以在0.25hz至5hz的頻率下，優(yōu)選在0.5hz至2hz的頻率下，并且最優(yōu)選在1hz的頻率下(即每秒)進(jìn)行所述比較和控制。

12、通常，如果在負(fù)載處確定燃料電池的減少的可用電功率，正如有時(shí)所進(jìn)行的那樣，則燃料電池的運(yùn)行參數(shù)的校正將花費(fèi)時(shí)間。這導(dǎo)致對(duì)燃料電池的負(fù)面影響以及負(fù)載的不良性能。

13、在一種實(shí)現(xiàn)變體中，控制熱運(yùn)行參數(shù)可以包括控制由冷卻劑輸送器輸送通過燃料電池的冷卻劑的質(zhì)量流量、控制提供給燃料電池的空氣的體積流量和控制提供給燃料電池的空氣的氣壓中的一個(gè)或多個(gè)。通過改變冷卻劑的質(zhì)量流量，可以提高或降低燃料電池的溫度，從而使液態(tài)和氣態(tài)產(chǎn)物水的平衡保持在期望的比例。同樣地，根據(jù)提供給燃料電池的空氣溫度，可以提高或降低燃料電池的溫度。當(dāng)控制提供給燃料電池的空氣的氣壓時(shí)，可以增加或減少空氣的體積流量。例如，更高的氣壓導(dǎo)致更高的空氣密度，從而改善氧氣供應(yīng)，并因此提高燃料電池堆效率。

14、在另一種實(shí)現(xiàn)變體中，該方法還可以包括感測(cè)燃料電池的冷卻劑入口處的冷卻劑的溫度和燃料電池的冷卻劑出口處的冷卻劑的溫度，并且基于所感測(cè)的冷卻劑入口和冷卻劑出口處的溫度之間的差異來計(jì)算形成燃料電池的電動(dòng)勢(shì)的一部分的熱功率。例如，冷卻劑可以是冷卻回路的一部分，并且可以由冷卻劑輸送器輸送通過燃料電池和外部熱交換器。燃料電池的電動(dòng)勢(shì)可以被解釋為包括電功率部分和熱功率部分，其中熱功率部分可以通過下式來計(jì)算

15、

16、其中是熱質(zhì)量，單位為j/ks，δt是冷卻劑入口和冷卻劑出口之間的溫差，單位為k。

17、在另一種實(shí)現(xiàn)變體中，質(zhì)量流量和溫差δt可以可替選地或另外地與例如作為氧氣的來源提供給燃料電池的空氣流量相關(guān)。因此，可以在進(jìn)出燃料電池的入口和出口處測(cè)量溫差δt。

18、在任何情況下，當(dāng)在該方法中計(jì)算電功率的偏差時(shí)，這可以至少部分基于所計(jì)算的熱功率pth。

19、僅僅作為例子，電動(dòng)勢(shì)可以被計(jì)算為

20、uemf＝(pth+pel)/i??(2)

21、pel＝u*i??(3)

22、其中pel是電功率，u和i分別是包括燃料電池和負(fù)載的電路的電壓和電流。u和i同樣可以在這個(gè)電路中隨時(shí)測(cè)量。

23、例如，如果在燃料電池入口和出口處在冷卻回路中測(cè)量δt，并且在冷卻回路的輸送設(shè)備(或者在入口或出口)處測(cè)量則可以計(jì)算熱功率。按照式(3)得到的電功率pel然后可以被設(shè)定為燃料電池的可用電功率。

24、此外，電動(dòng)勢(shì)可以基于式(1)至式(3)來計(jì)算，并且強(qiáng)烈地取決于燃料電池的熱條件。因此，如果負(fù)載的功率需求指示與按照當(dāng)前計(jì)算的電動(dòng)勢(shì)uemf可以從電功率pel獲得的電功率不同的所需電功率，則該方法可以調(diào)整熱運(yùn)行參數(shù)以取得與負(fù)載的功率需求匹配的電動(dòng)勢(shì)uemf。

25、在又一種實(shí)現(xiàn)變體中，該方法還可以包括針對(duì)燃料電池的當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)確定燃料電池的吉布斯自由能，其中計(jì)算電功率的偏差基于所確定的吉布斯自由能。

26、雖然吉布斯自由能可以查到，并且在某些條件下對(duì)于水的液態(tài)和氣態(tài)平衡是眾所周知的，但是電動(dòng)勢(shì)可以計(jì)算為

27、uemf＝-δg/z*f??(4)

28、其中δg是吉布斯自由能，單位為kj/mol，z是電極反應(yīng)中涉及的電子的數(shù)量，f是法拉第常數(shù)，單位為as/mol。

29、因此，可以確定基于吉布斯自由能導(dǎo)出的電動(dòng)勢(shì)(uemf)(式(4))與在燃料電池處感測(cè)到的電動(dòng)勢(shì)(式(1)至(3))之間的偏差。然后可以改變(控制)燃料電池的熱運(yùn)行參數(shù)，以補(bǔ)償該偏差。

30、在又一種實(shí)現(xiàn)變體中，負(fù)載的功率需求的確定包括檢索該負(fù)載在預(yù)先定義的未來時(shí)間段的負(fù)載曲線圖(load?profile)。例如，負(fù)載可能具有特定的運(yùn)行計(jì)劃，并且所需的電功率是預(yù)先已知的。這種已知的所需電功率可以以曲線圖的形式，例如，以隨時(shí)間推移的所需功率水平的形式來檢索。預(yù)先定義的時(shí)間段可以包括任何未來的時(shí)間，比如5秒、10秒、20秒、1分鐘、2分鐘、5分鐘、10分鐘、60分鐘、甚至更長(zhǎng)。

31、按照為了更好地理解本公開的第二方面，一種燃料電池系統(tǒng)包括燃料電池堆，配置為輸出指示燃料電池堆的運(yùn)行參數(shù)的傳感器信號(hào)，配置為冷卻燃料電池堆的冷卻回路和控制單元。

32、僅僅作為例子，這種燃料電池系統(tǒng)可以用于執(zhí)行第一方面的方法或其變體之一。特別地，控制單元可被配置為執(zhí)行第一方面的方法或其變體之一。

33、具體地，燃料電池系統(tǒng)的控制單元被配置為確定與燃料電池堆電連接的負(fù)載的功率需求。該需求可以直接在負(fù)載處和/或在控制負(fù)載的控制器處確定。

34、控制單元還被配置為基于至少一個(gè)傳感器的傳感器信號(hào)確定燃料電池堆的電動(dòng)勢(shì)，基于所確定的燃料電池堆的電動(dòng)勢(shì)來確定燃料電池堆的可用電功率，計(jì)算所確定的負(fù)載的功率需求與燃料電池堆的可用電功率之間的偏差，并控制冷卻回路來調(diào)整燃料電池堆的熱運(yùn)行參數(shù)，以補(bǔ)償所計(jì)算的偏差。

35、控制單元可以實(shí)時(shí)(在線)操作，即，可以控制燃料電池堆的熱運(yùn)行參數(shù)，作為對(duì)所確定和計(jì)算的參數(shù)的直接響應(yīng)。因此，燃料電池堆可以按更恒定的方式運(yùn)行，特別是就產(chǎn)物水的液態(tài)和氣態(tài)平衡而言。

36、在一種實(shí)現(xiàn)變體中，冷卻回路可以包括冷卻劑入口、冷卻劑出口和冷卻劑輸送器，冷卻劑輸送器將冷卻劑從冷卻劑出口輸送到冷卻劑入口并通過燃料電池堆。這進(jìn)一步允許控制單元被配置為，在調(diào)整熱運(yùn)行參數(shù)時(shí)：

37、(1)改變由冷卻劑輸送器輸送的冷卻劑的質(zhì)量流量，和/或

38、(2)改變提供給燃料電池堆的空氣的體積流量，和/或

39、(3)改變提供給燃料電池堆的空氣的氣壓。

40、應(yīng)當(dāng)理解的是，控制單元可以調(diào)整或改變?nèi)剂想姵囟训母郊踊騻溥x熱參數(shù)?？刂茊卧哪康氖窃谌剂想姵囟阎袑?shí)現(xiàn)(相對(duì))恒定的溫度，這導(dǎo)致(相對(duì))恒定的電動(dòng)勢(shì)，并且因此實(shí)現(xiàn)燃料電池堆的最佳運(yùn)行。另外，控制單元被配置為基于負(fù)載的功率需求在燃料電池堆中實(shí)現(xiàn)(相對(duì))恒定的溫度，電動(dòng)勢(shì)和可用電功率取決于該溫度。

41、在另一種實(shí)現(xiàn)變體中，至少一個(gè)傳感器可以包括配置為感測(cè)燃料電池堆的冷卻劑入口處的冷卻劑的溫度的冷卻劑入口溫度傳感器，和配置為感測(cè)燃料電池堆的冷卻劑出口處的冷卻劑的溫度的冷卻劑出口溫度傳感器。應(yīng)當(dāng)理解的是在燃料電池堆中或在燃料電池堆處可以實(shí)現(xiàn)和設(shè)置附加的溫度和/或壓力傳感器。

42、在又一種實(shí)現(xiàn)變體中，控制單元還可以被配置為基于所感測(cè)的冷卻劑入口和冷卻劑出口處的溫度之間的差異來計(jì)算形成燃料電池的電動(dòng)勢(shì)的一部分的熱功率，并且至少部分基于所計(jì)算的熱功率來計(jì)算電功率的偏差。

43、控制單元可以基于如關(guān)于第一方面概述的式(1)至(3)來進(jìn)行計(jì)算。

44、在另一種實(shí)現(xiàn)變體中，質(zhì)量流量和溫差δt可以可替選地或另外地與例如作為氧氣的來源提供給燃料電池的空氣流量相關(guān)。因此可以在空氣流量進(jìn)出燃料電池的入口和出口處測(cè)量溫差δt。質(zhì)量流量可以通過空氣的輸送器，比如風(fēng)扇、壓縮機(jī)、空氣源的閥門等來控制。

45、在又一種實(shí)現(xiàn)變體中，控制單元還可被配置為針對(duì)燃料電池堆的當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)確定燃料電池堆的吉布斯自由能，并且基于所確定的吉布斯自由能計(jì)算電功率的偏差。

46、控制單元可以基于如關(guān)于第一方面概述的式(1)至(4)來進(jìn)行計(jì)算。

47、本公開在描述的形式和順序方面不限于所述各個(gè)方面和變體。具體地，所述各個(gè)方面和變體的描述不應(yīng)被理解為特征的特定限制性分組。應(yīng)理解的是本公開還覆蓋所述各個(gè)方面和變體的組合。因此，每個(gè)變體或可選特征可以與任何其他方面、變體、可選特征或者甚至它們的組合相結(jié)合。