[发明专利]质子交换膜燃料电池堆的非线性热控制

说明书

技术领域

本发明一般涉及用于控制燃料电池系统中的燃料电池堆的温度的技术，更具体地说，涉及用于通过以下方法来控制燃料电池系统中的燃料电池堆的温度的技术：利用所述堆的集中参数非线性热模型来预测流出所述堆的冷却液的温度并响应该温度来控制泵。

背景技术

氢是很有吸引力的燃料，因为它是清洁的并能被用于在燃料电池中有效地产生电。汽车工业在开发氢燃料电池作为车辆电源的过程中消耗了大量资源。这种车辆与当今使用内燃引擎的车辆相比具有更高的效率并且几乎不产生排放物。

氢燃料电池是包含阳极和阴极的电化学设备，在阳极和阴极之间有电解液。阳极接收氢气而阴极接收氧或空气。氢气在阳极中被离解以便产生自由氢质子和电子。氢质子通过电解液到阴极。氢质子在阴极中与氧和电子反应来产生水。阳极中产生的电子不能通过电解液，因此被引导通过负载，在被发送到阴极之前做工。所述工用来驱动机动车辆。

质子交换膜燃料电池(PEMFC)是流行的车辆燃料电池。PEMFC一般包含固相聚合物电解液质子传导膜，如全氟磺酸基酸性膜。阳极和阴极通常包含被支撑在碳粒子上并与离聚物混合的细分催化粒子，通常是铂(Pt)。催化混合物被沉积在膜的反面。阳极催化混合物、阴极催化混合物和膜的结合形成了膜电极组合体(MEA)。MEA的制造成本较高且需要某些条件才能有效运行。这些条件包括适当的水管理和湿度，以及控制催化剂毒性成分，如一氧化碳(CO)。

通常把许多燃料电池组合成燃料电池堆以产生所需功率。燃料电池堆接收阴极输入气体，通常是由压缩机迫使通过堆的空气流。不是空气中所有的氧都被堆消耗，而是一些空气作为阴极废气输出，废气可能包含作为堆副产品的水。燃料电池堆还接收流入堆的阳极侧的阳极氢输入气体。

燃料电池堆包含一连串位于堆中若干MEA之间的双极板。双极板包括相对于堆中相邻的燃料电池的阳极侧和阴极侧。在双极板的阳极侧上提供允许阳极气体流到MEA的阳极气流通道。在双极板的阴极侧上提供允许阴极气体流到MEA的阴极气流通道。双极板由导电材料制成，如不锈钢，使得它们能传导由堆外的燃料电池产生的电。双极板还包括冷却液流过的流体通道。

燃料电池需要运行在最适宜的相对湿度和温度以便提供有效的堆运行和耐用性。温度对特定的堆压力提供堆中燃料电池内的相对湿度。在最适宜的温度以上的过高的堆温度可能破坏燃料电池部件，降低燃料电池的使用寿命。同时，在最适宜的温度以下的堆温度会降低堆性能。

燃料电池系统使用控制燃料电池堆内温度的热子系统。具体地说，冷却液被抽吸通过堆中双极板中的冷却通道。图1是包括用于提供冷却液给燃料电池堆12的热子系统的燃料电池系统10的示意性平面图。流过堆12的冷却液流过堆12外面的冷却剂回路14，其中它或者在启动期间向堆12提供热量，或者在燃料电池运行期间从堆12中排除热量，以便将堆12维持在合适的运行温度上，如60℃-80℃。输入温度传感器16在冷却液流入堆12时测量回路14中冷却液的温度，而输出温度传感器18在冷却液流出堆12时测量回路14中冷却液的温度。

泵20抽吸冷却液通过冷却剂回路14，而冷却器22冷却回路14中流出堆12的冷却液。鼓风机24使周围空气通过冷却器22以便在其行进通过冷却器22时冷却该冷却液。控制器28根据来自温度传感器16和18的温度信号、堆12的功率输出和其他因素来控制泵20的速度和鼓风机24的速度。

因为燃料电池堆12中的膜非常容易受损坏因而为了有效的堆运行需要严格的相对湿度控制，所以精确控制燃料电池堆12的内部温度是很重要的。当前温度控制系统监控堆12的输出温度，并且随着堆12中冷却液温度的改变，控制器28增加或减小泵20的速度和鼓风机24的速度以提供或多或少的冷却。然而，若堆12的温度在泵20作出响应之前已被提高或降低，则膜的相对湿度已改变。合适的做法是：预测堆12温度的提高或降低，并在堆12的温度显著改变前改变冷却液的流率。

发明内容

根据本发明的教导，公开了用于燃料电池系统中的燃料电池堆热子系统的温度控制方案，所述温度控制方案使用非线性热模型和扰动抑制来提供最适宜的堆温度。热子系统包括：引导冷却液通过堆的冷却剂回路；用于抽吸冷却液通过冷却剂回路的泵；以及用于冷却流出燃料电池堆的冷却液的冷却器。