[发明专利]燃料电池系统中的冷却剂流脉动无效
申请号: | 201310509848.2 | 申请日: | 2013-10-25 |
公开(公告)号: | CN103779591A | 公开(公告)日: | 2014-05-07 |
发明(设计)人: | J.P.诺兰;S.R.法尔塔;D.R.勒布泽尔特;S.E.勒纳 | 申请(专利权)人: | 通用汽车环球科技运作有限责任公司 |
主分类号: | H01M8/04 | 分类号: | H01M8/04 |
代理公司: | 中国专利代理(香港)有限公司 72001 | 代理人: | 刘桢;胡斌 |
地址: | 美国密*** | 国省代码: | 美国;US |
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摘要: | |||
搜索关键词: | 燃料电池 系统 中的 冷却剂 脉动 | ||
技术领域
本发明整体涉及控制燃料电池系统中的泵,并且更具体地涉及用于将冷却剂流脉动到燃料电池堆以便降低寄生功耗同时在低堆功率水平下限制堆温度差的系统和方法。
背景技术
作为使用汽油或相关的石油基源作为车辆推进系统中的主要能量源的替代形式的燃料电池通过电化学混合反应物来工作。在代表性的燃料电池中,反应物中的一个通常是氢基的并被提供至燃料电池的阳极,在这里反应物被催化地分解成电子和带正电的离子。质子传导性电解质膜将阳极与阴极分开并允许离子传送到阴极。所产生的电子形成通过导电电路围绕电解质层传送的电流,该导电电路包括马达或相关负载以便产生有用功。离子、电子和提供的氧气(经常以环境空气的形式)在阴极处结合以产生水和热量。在一个汽车形式中,由电流提供动力的马达可单独或与石油基燃烧发动机结合来推进车辆。各个燃料电池可作为燃料电池堆串联或并联布置以便产生更高的电压或电流产量。此外,通过结合多于一个堆可获得更高的产量。
必须调节由燃料电池系统中的反应所产生的热量以便提供有效的系统运行,同时使系统部件的温度保持在其设计限值内。为了实现热量调节,冷却剂流场邻近反应物流场设置使得通过冷却剂流场泵送的冷却剂输送走反应中存在的过多热量。从那里,冷却剂被传送到散热器或其它合适的散热片以允许热量被耗散。
更有挑战性的是控制用于在低功率状态期间使冷却剂循环的泵的速度。例如,在低负载堆条件下的连续泵操作需要大量消耗由燃料电池产生的电流,从而显著地影响系统总效率。冷却剂泵相对于燃料电池系统调低的有限能力(其中,例如,燃料电池系统将调低大于100比1,而泵将仅调低5比1)进一步妨碍冷却剂系统在这样低的功率水平下控制通过堆的温度差的能力。在本文的背景中,设备调低的能力(本文中也称之为“调低比(turndown ratio)”)是对泵的最大冷却剂流量相对于其最小冷却剂流量的比率的量度。相似地,燃料电池系统的调低比可定义为其额定最大功率相对于其最小功率而言。由于燃料电池堆的废热具有与系统功率的稍微超线性比,系统可调低超过冷却剂泵的事实意味着冷却剂泵提供比充分地冷却堆并保持堆的入口和出口的合理的冷却剂温度差所需的冷却剂流高得多的冷却剂流。遗憾的是,这样过高的泵容量导致燃料电池系统的操作无效率。
发明内容
在本发明的第一实施例中,公开了一种控制燃料电池系统中的冷却剂泵的方法。在一个特定形式中,本发明允许大于5比1的有效的调低比以更好响应于堆或燃料电池系统的其它部件的调低比。虽然该方法特别适合用于车辆应用,但本领域的技术人员将会理解采用本发明的非车辆燃料电池应用也在本发明的范围内。该方法包括确定燃料电池堆的堆功率请求是否低于第一阈值。这样,该方法被特别地构造用于低功率操作条件。该方法还包括利用堆功率请求(当其低于第一阈值时)确定向燃料电池堆提供冷却剂的冷却剂泵的关闭时间值。该方法进一步包括由处理器生成冷却剂泵控制命令,该命令引起冷却剂泵向燃料电池堆选择性地提供冷却剂,使得在关闭时间期间泵停止向燃料电池堆提供冷却剂,而在打开时间期间泵工作以提供冷却剂。这样,冷却剂的输送以脉冲的方式发生。特别重要的是本发明的泵脉动基于脉动频率的确定,该频率将燃料电池堆内的任何部件的局部温升限制到高于燃料电池堆内的平均系统温度的较少的量。在一种形式中,最大可允许的局部温升为几度,例如,约3℃。显著地,在泵的脉冲操作期间,存在当处于“打开”条件时冷却剂泵必须运行以便去除在泵关闭期间由燃料电池堆产生的热量的最小时间。在一种形式中,典型的时间在约3秒和10秒之间,并且取决于堆的热质量和流场设计。同样,以上所提及的最大可允许的局部温升可根据其它因素(诸如潮湿)改变。这样(并且根据此类因素中的变化),可存在更宽范围的可接受温度,例如从1°C到7°C。
在另一个实施例中,公开了用于燃料电池系统的控制器。该控制器包括一个或多个处理器和与该一个或多个处理器通信的非易失性存储器。存储器存储指令,该指令在由一个或多个处理器执行时引起一个或多个处理器确定燃料电池堆的堆功率请求是否低于第一阈值。该指令进一步引起一个或多个处理器利用堆功率请求来确定向燃料电池堆提供冷却剂的冷却剂泵的关闭时间值。如果堆功率请求低于第一阈值,则该指令另外引起一个或多个处理器生成冷却剂泵控制命令,该命令引起冷却剂泵在关闭时间期间停止向燃料电池堆提供冷却剂并在打开时间期间向燃料电池堆提供冷却剂。
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