专利名称：燃料电池的间歇冷却的制作方法
技术领域：
本发明涉及液体冷却燃料电池系统，尤其涉及通过减少当燃料电池在低功率条件下工作时由冷却剂泵施加在电池上的寄生消耗，从而提高电池效率。
背景技术：
燃料电池是用于将燃料和氧化剂连续地转化为电能的电化学装置。它由被离子导电电解质隔开的两个电极(即阳极和阴极)构成，并提供燃料(例如，H2)、氧化剂(例如，O2)、反应产物(例如，H2O)和冷却剂连续流入和流出电池。燃料被连续地提供到阳极(负极)并在阳极发生氧化，向外电路提供电子。氧化剂被连续地提供给阴极(正极)并在阴极发生还原，在阴极氧化剂接收来自外电路的电子。在电解质中的离子电流完成该电路。通常把堆叠在一起的多个单个燃料电池称作燃料电池“堆”。
PEM(质子交换膜)燃料电池，又称作SPE(固体聚合物电解质)燃料电池，是人们熟知的基于H2/O2的燃料电池，这种电池适用于便携用途(例如，电动车辆)，可具有以压缩或液体状态存储的氢，或由重整甲醇、汽油、柴油燃料等产生的氢。PEM燃料电池包括“膜电极组件”(又称作MEA)，它包括薄的、能传送质子的固体-聚合物膜-电解质，在该聚合物膜的一面上具有阳极，在相反面上具有阴极。MEA夹在一对用作阳极和阴极集流器的导电元件之间。该集流器还用于在阳极和阴极的表面上分配燃料电池气态反应剂。固体聚合物膜一般由离子交换树脂制成，例如全氟磺酸(例如，来自杜邦公司的NAFION)，这些树脂与水结合以增强通过它的离子导电性。阳极和阴极通常包括细分的碳和催化剂颗粒以及与它们混合的质子导电树脂。
除了燃料电池自身之外，燃料电池系统需要多种辅助设备(例如，泵、热交换器、燃料处理器、燃烧器、水分离器等)来支持燃料电池的工作。某些辅助设备是靠燃料电池提供能量的，它们从燃料电池中提取能量用于它们的操作，因此它们主要是系统中的寄生功率消耗(也就是说，它们消耗的能量不应用于燃料电池系统外部的有用工作)。一种这样的辅助设备寄生功率消耗件是用于循环液态冷却剂通过燃料电池的泵。
PEM燃料电池是对温度敏感的，如果长时间工作温度过高，膜电解质就会开始脱水，造成燃料电池的性能/电压降低。因此，通过使液态冷却剂连续地流过PEM燃料电池(以及其它燃料电池)，从而使燃料电池冷却。一种冷却技术采用恒速泵，恒速泵使冷却剂以恒定速率流过燃料电池，将此恒定速率设为足够高以控制在满功率输出条件下的电池温度。另一技术采用变速泵，变速泵使冷却剂以可变的速度连续流过电池堆，该速度由在任意给定点处在电池堆上的负载及时确定。然而，由于燃料电池堆设计的局限性(即，在电池堆中的冷却剂流动通道)，冷却剂必须以特定的最小速率流动，以便在整个电池堆上获得均匀的流动分布，从而均匀冷却电池堆。当电池堆在低功率水平下工作时(例如，低于电池堆满功率的25％)，这种最小的流速通常高于用于去除由燃料电池堆产生的热量所需要的流速，因此产生过低的热量。因此即使用变速泵，在低燃料电池负载条件下由冷却剂泵消耗的功率高于单独冷却所需的功率。
高效燃料电池系统是人们所需要的。通过用系统的有效功率(即，可用在系统外部的功率)除以系统的潜在功率(potential power)，得出燃料电池系统的效率，有效功率等于由燃料电池产生的功率量减去系统中的寄生功率消耗量，潜在功率等于燃料的加热值(千焦耳/克)乘以供应到系统的燃料的质量流速(克/秒)。因而，具有高寄生负载的系统比具有低寄生负载的系统的效率低。本发明通过减少在燃料电池堆以低于满功率25％的功率进行工作时由冷却剂泵施加在燃料电池系统上的寄生负载，从而提高燃料电池系统的效率。
发明概述本发明设计了一种用于提高燃料电池系统效率的方法，该方法通过下述方式实现当燃料电池以低功率水平进行工作时，仅使冷却剂间歇地泵送至燃料电池。本发明可应用于燃料电池系统，此燃料电池系统包括(1)燃料电池，将所述燃料电池设计成以特定的电流密度进行满功率工作，所述燃料电池具有阳极和阴极；(2)流过燃料电池的液体冷却剂；(3)用于从冷却剂中提取热量的热交换器；和(4)由燃料电池提供能量的泵，用于在燃料电池和热交换器之间泵送冷却剂。该方法包括以下步骤(i)向燃料电池的阳极提供燃料；(ii)向燃料电池的阴极提供氧化剂；(iii)以低于燃料电池的满功率电流密度的25％的电流密度从燃料电池中引出电流；(iv)在从燃料电池中引出该电流的同时，使泵送冷却剂中止一段时间；(v)在泵送中止的时间段内，让燃料电池的温度升高至不降低燃料电池性能的温度；以及(vi)在时间段的结尾重新开始泵送。通过在关闭泵的时间段内消除泵在所述系统上的寄生负载，从而提高了燃料电池系统的效率。本发明可应用于任何用液体冷却的燃料电池，尤其可应用于提高具有以低于0.2A/cm2的电流密度工作的对温度敏感的PEM燃料电池的燃料电池系统的效率。
根据本发明的一个实施例，在“泵关闭”阶段，使燃料电池的温度升高至预定/预设温度。当达到该温度时，通过再次对冷却泵通电，继续利用冷却流。对于此实施例，优选通过监测排出阳极的燃料(又称作阳极尾气)的温度确定燃料电池的温度，最优选通过监测排出阴极的氧化剂(又称作阴极尾气)的温度确定燃料电池的温度。一旦启动，该泵优选保持开，直至燃料电池的氧化剂尾气温度降至排出燃料电池的冷却剂温度的2度范围内。然后再一次关掉泵。
根据本发明的另一实施例，“泵关闭”时间段具有一个或多个预设/时控持续时间，所述一个或多个预设/时控持续时间是在受控测试条件下(例如，在实验室)根据经验确定。在此实施例中，监测燃料电池的电输出，根据以经验为基础的试验结果相应地调整时间段的持续时间。
通过对本发明优选实施例的详细描述并结合附图，将更容易理解本发明。
附图的简要说明
图1中示意性地描述出根据本发明的简化燃料电池系统。
优选实施例的描述图1中示出本发明的优选燃料电池系统的简化形式，该系统包括具有阳极侧4和阴极侧6的燃料电池2。向阳极侧4提供氢8，并作为阳极尾气10排出。向阴极侧提供氧(空气)12并作为阴极尾气14排出。在冷却剂回路16中的液体冷却剂(例如，乙二醇和水)通过由燃料电池2提供能量的泵20经由燃料电池2和热交换器(例如，车辆散热器)18进行循环。在点25处测量排出燃料电池2的冷却剂的温度。散热器18可具有用于将环境空气吹过散热器18的风扇和马达24。根据本实施例，当燃料电池系统在其满功率设计值的25％以下进行工作时，控制电路22测量阴极尾气14的温度，并根据此温度，打开或关闭泵20。在最大功率值的25％以上工作时，“泵关闭”的时间太短以至于没有产生任何明显的效益。当阴极尾气14的温度达到预定上限值时，泵就开启并让冷却剂一直通过燃料电池循环，直至泵使阴极尾气的温度降至在点25处排出燃料电池堆2的冷却剂温度的2度范围之内。当达到该温度时，泵20关闭并保持关闭足够长的一段时间，直至阴极尾气14的温度升高至预定上限。散热器风扇马达24能够与泵20同时关闭以产生附加效果。将上限设定在不会破坏燃料电池性能的温度。因此，例如，燃料电池2是PEM燃料电池，它的温度上限约70℃，此温度足够高，能够使泵中止很长的一段时间，但又足够低，以确保膜电解质在使燃料电池终端电压降低的点处不发生脱水。
对于用于车辆推进设计的并具有0.8A/cm2的“满功率”电流密度设计值的PEM燃料电池来说，当在燃料电池上的负载降至0.2A/cm2以下时，由电路22控制泵20的开启/关闭条件。这种PEM燃料电池在这种低功率范围内以约64℃的温度进行接近等温地正常工作。但在本发明预期的低功率范围内(即，在0.2A/cm2以下)，燃料电池实际上绝热地循环工作当泵关闭时，燃料电池的温度在该时间段内升高；当泵启动时则温度下降。在这种循环操作模式下，当泵启动时可使PEM燃料电池的温度降至约60℃，当泵关闭时温度升至约68℃，对于8℃的总温度偏移不会影响燃料电池性能或损坏燃料电池。泵的占空度(即，“开启”时间所占的百分比)随燃料电池上的负载而变化。燃料电池上的负载越高，“泵开启”的持续时间越长，“泵关闭”的时间越短。因此例如当燃料电池空闲时(即，除了系统操作所需的寄生之外没有负载)，燃料电池几乎不产生热量，所述占空度非常低，从而形成更有效的系统。在空闲状态下工作的80kW的汽车用(即，0.8A/cm2的满功率)PEM燃料电池堆的典型占空度是大约15％(例如，10秒的“泵开启”与55秒的“泵关闭”)。另一方面，对于0.2A/cm2的负载，占空度约65％(例如，15秒的“泵开启”与8秒的“泵关闭”)。
根据本发明的另一实施例，由定时器以足以确保对以0.2A/cm2的电流密度值工作的燃料电池进行充分冷却的时间段预设并控制占空度，由此控制“泵关闭”的持续时间。作为选择，为在由本发明预期的低功率范围内的不同燃料电池功率值确定多个预设(即，时控的)时间段。然后监测燃料电池的功率输出，并利用查询表和适当的商用计算机硬件/软件，选择并执行对应于功率输出的适当“泵关闭”时间段。当电流(由此电流密度)增至0.2A/cm2水平时，逐步缩短“泵关闭”时间段的持续时间，当电流降至0.01A/cm2水平时，“泵关闭”时间段的持续时间将增加。在查询表中对应于不同燃料电池功率值的时间段的持续时间是在受控的实验室条件下根据经验预先确定的，在该实验室条件下，在恒定负载条件下监测燃料电池的电压和温度升高，相对于燃料电池性能(即电压)和耐用性(即忍受的温度偏移的能力)确定“泵关闭”时间段的持续时间。为提供到燃料电池的不同负载确定不同的时间段持续时间，直至构成对于整个低功率工作范围(即，在0.2A/cm2以下)的完整查询表。
在已经根据特定实施例描述了本发明的同时，还应注意本发明不限于此，而是仅限于所附权利要求书所列出的范围。
权利要求
1.一种用于提高燃料电池系统效率的方法，此燃料电池系统包括燃料电池，所述燃料电池具有阳极和阴极，并设计成以特定的电流密度进行满功率工作；流过所述燃料电池的液体冷却剂；用于从所述冷却剂中提取热量的热交换器；和由所述燃料电池提供能量的泵，用于在所述燃料电池和所述热交换器之间泵送所述冷却剂，所述方法包括以下步骤向所述阳极提供燃料；向所述阴极提供氧化剂；以低于所述满功率电流密度的25％的电流密度从所述燃料电池中引出电流；在引出所述电流的同时，使所述泵送中止一段时间；在所述泵送中止的时间段内，允许所述燃料电池的温度升高至不降低所述燃料电池性能的温度；以及在所述时间段的结尾启动所述泵送；通过在所述时间段内消除了所述泵在所述系统上的寄生负载，从而提高了所述系统的效率。
2.一种用于提高燃料电池系统效率的方法，此燃料电池系统包括PEM燃料电池，所述燃料电池具有阳极和阴极，并设计成以特定的电流密度进行满功率工作；流过所述燃料电池的液体冷却剂；用于从所述冷却剂中提取热量的热交换器；和由所述燃料电池提供能量的泵，用于在所述燃料电池和所述热交换器之间泵送所述冷却剂，所述方法包括以下步骤向所述阳极提供燃料；向所述阴极提供氧化剂；以低于约0.2A/cm2的电流密度从所述燃料电池中引出电流；在引出所述电流的同时，使所述泵送中止一段时间；在所述泵送中止的时间段内，允许所述燃料电池的温度升高至不降低所述燃料电池性能的温度；以及在所述时间段的结尾启动所述泵送；通过在所述时间段内消除了所述泵在所述系统上的寄生负载，从而提高了所述系统的效率。
3.根据权利要求2的方法，其中允许所述温度升高至预定第一温度，当达到所述第一温度时，开始所述泵送的所述启动。
4.根据权利要求3的方法，其中所述第一温度是排出阴极的氧化剂的温度。
5.根据权利要求3的方法，其中所述第一温度是排出所述阳极的所述燃料的温度。
6.根据权利要求2的方法，其中所述时间段具有预设持续时间。
7.根据权利要求2的方法，其中当排出阴极的氧化剂温度处于排出燃料电池的冷却剂温度的约2度范围内的时候，开始所述泵送的所述中止。
8.根据权利要求2的方法，其中当排出阳极的燃料温度处于排出燃料电池的冷却剂温度的约2度范围内的时候，开始所述泵送的所述中止。
9.根据权利要求2的方法，包括以下步骤监测所述电流，并且当从所述燃料电池引出的电流产生远离所述0.2A/cm2的低电流密度时向上调节所述时间段的持续时间，当从所述燃料电池引出的电流产生接近所述0.2A/cm2的高电流密度时向下调节所述时间段的持续时间。
10.一种用于提高燃料电池系统效率的方法，此燃料电池系统包括燃料电池，所述燃料电池具有阳极和阴极，并设计成以特定的电流密度进行满功率工作；流过所述燃料电池的液体冷却剂；用于从所述冷却剂中提取热量的热交换器；由所述燃料电池提供能量的、用于把空气吹过所述热交换器的马达驱动风扇；和由所述燃料电池提供能量的泵，用于在所述燃料电池和所述热交换器之间泵送所述冷却剂，所述方法包括下列步骤向所述阳极提供燃料；向所述阴极提供氧化剂；以低于所述满功率电流密度的25％的电流密度从所述燃料电池中引出电流；在引出所述电流的同时，关掉所述泵和所述马达驱动风扇一段时间；在所述时间段内允许所述燃料电池的温度升高至不降低所述燃料电池性能的温度；以及在所述时间段的结尾启动所述泵送；通过在所述时间段内消除了所述泵和所述风扇在所述系统上的寄生负载，从而提高了所述系统的效率。
全文摘要
本发明提供一种用于提高燃料电池系统(2)的效率的方法，该燃料电池系统(2)具有液体冷却剂(16)、使冷却剂循环通过燃料电池的泵(20)和从冷却剂提取热量的热交换器(18)。通过当燃料电池以低于其“满功率”设计值的25％进行工作时间歇地关掉泵，从而实现效率的提高。
文档编号H01M8/04GK1625819SQ02828748
公开日2005年6月8日 申请日期2002年12月10日 优先权日2002年2月13日
发明者M·M·霍赫 申请人:通用汽车公司