专利名称：燃料电池电压控制的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种燃料电池组的电压限制辅助负载，所述电池组被周期性地与温度控制等相接合以模拟所需大小的负载，同时辅助负载还将热量提供给此堆，如其中的空气和冷却剂，或提供给氧化剂能量回收装置。
背景技术：
2002.11.26提交的美国专利申请序列号10/305,301披露了辅助负载选择性地与燃料电池组的电输出相连来限制单个电池的电压，此电压是在启动过程中加入反应剂或在燃料电池动力装置关闭期间消耗反应剂而产生的，如图1所示。
图1中的现有技术的燃料电池系统100包括燃料电池102，所述燃料电池包含阳极104，阴极106，和处于阳极和阴极之间的电解质层108。阳极包括阳极基板110，在所述基板面对电解质层108的一面上有阳极催化剂层112。阴极包括阴极基板114，在所述基板面对电解质层108的一面上有阴极催化剂层116。此电池还包括与阳极基板110相邻的阳极流场板118，和与阴极基板114相邻的阴极流场板120。
阴极流场板120上具有许多槽122，所述槽延伸至形成阴极流场的阴极基板附近，将空气等氧化剂从入口124跨过阴极带到出口126。阳极流场板118具有许多槽128，所述槽延伸至形成阳极流场的阳极基板附近，将含氢燃料从入口130跨过阳极带到出口132。一些电池还包括靠近阴极流场板120的冷却液，用来将热量从电池带走，例如用水泵134使水在通过冷却液131的回路132内循环，用来散热的散热器136，和一个流量控制阀或节流孔138。在某些燃料电池系统中，阳极和阴极流场板和冷却液板，如板118、122和131等，是多孔的，并用来把气体带给阳极和阴极并将水输运到或运离每个电池。在这些系统中，冷却剂回路泵，如泵134，在关闭的过程中应继续工作，从而防止反应剂通道被冷却剂阻塞。
虽然图中只显示了一个电池120，但实际上一个燃料电池系统包括许多电串联的相邻电池(即电池组)。
燃料电池系统包括处于压力下的含氢燃料源140，空气源142，空气吹风机144，主电路用的负载即主负载146，辅助负载148，阳极废气回收回路150，和回收回路吹风机152。在燃料电池正常工作期间，当电池给主负载146供电时，主负载开关154被关闭(图中显示的是打开)，且辅助负载开关156被打开。空气吹风机144，阳极废气回收吹风机152和冷却剂134全都接通，且在从燃料源140向下经回收吹风机152到阳极回收回路150的燃料进给管道内的阀166打开，同样，在回收回路150内的阀170和阳极废气管道174内的阳极废气排气阀172也打开。管道160内的空气入口进给阀158打开。在从空气源142向上经回收吹风机152到回收回路一点的管道164内的空气进给阀162被关闭。
因而，在正常工作期内，来自源142的空气经管道160连续送至阴极流场入口124并经管道176离开电池出口126。来自加压源140的含新鲜氢的燃料经管道168(燃料经它进入回收回路150)连续送给阳极流场。一部分包含耗尽燃料的阳极废气经管道174通过排气阀172离开阳极流场，而回收吹风机152按现有技术中已公知的方式使剩余的阳极废气经回收回路通过阳极流场再循环。所述入口130至出口132的范围内保持气体成分均匀，同时将一些水蒸汽回流至电池，以防止电池在燃料入口附近变干燥。燃料中的氢按众所周知的方式在电池正常工作过程中进行电化学反应，从而产生质子(氢离子)和电子。电子从阳极104通过外电路178流至阴极106，从而为负载146供电，而质子从阳极104通过电解质流至阴极106。
为避免由于电池催化剂和催化剂担载体的腐蚀而引起电池性能明显下降，可以采用以下步骤关闭电池打开开关154，将主负载与外电路断开。阀166保持打开从而允许让燃料流向阳极流场。优选关闭空气入口进给阀158和阳极排气阀关闭。回收流阀170可以保持打开且回收吹风机152可保持工作，以便继续使阳极废气通过电池进行再循环。这样可以防止阳极上的局部燃料枯竭。然后关闭开关156，从而把跨在电池上的小电阻性辅助负载148连到外电路I77，178中。当开关156闭合时，电池继续发生通常的电化学反应，使阴极流场内的氧浓度下降。
在加上辅助负载期间，阀158可以部分打开，以防止阴极室内的压力下降到环境压力以下。
辅助负载148的大小应使电池电压在15秒至1分钟左右内从约0.90-1.0V的开路电压降至约0.20V。做到这一点所需的负载大小与电池的具体结构有关，如电池数量，电池尺寸，阳极流场和任何燃料歧管等内以及阴极流场和任何空气歧管等内的氢和空气的最大体积。由于在燃料开始净化之前加上辅助负载而产生的电流不大，据信是在电池关闭期间使其性能下降的“反向电流”在空气净化过程中将更低。
一旦电池电压已降低预定量(优选电池电压下降到0.2V或以下)，可以打开开关156，或者让它继续保持关闭，同时阀166在电池关闭步骤的全部或部分剩余期间被关闭。为防止阳极废气进一步再循环，将回收阀170关闭并停掉回收吹风机。打开阳极废气阀，然后打开空气流量阀162，让来自源142的空气进入紧接阀170下游和回收吹风机152上游的回收回路。
假设电池已按上述步骤关闭，则在阳极和阴极流场内只有经稀释的氢和氮。为重新启动燃料电池系统100，把辅助负载开关156关闭(如果原来是打开的)以将辅助负载148连到外电路177、178内，将冷却剂回路阀138打开(如果原来是关闭的)，并接通泵134。空气流量阀158是关闭的，而吹风机144不接通。阳极废气排气阀172打开且管道162内的空气流量阀被关闭。回收流量阀170也打开，且回收吹风机152接通。打开燃料流量阀166让加压氢从源140流入阳极流场。一旦氢气到达阳极废气阀172，则将辅助负载开关156打开。空气流量阀158打开，空气吹风机144接通，开关154闭合，以将主负载达到电池102上。现在该电池可以正常工作。
现有技术中的固定辅助负载电压限制功能存在多个问题。在启动期，当燃料电池组电压升至预定值以上时，固定辅助负载与该电池组相连，然后经过一定时间断开，或在一些实施例中是在电解质层电流跌至规定值以下之后断开。在那整个过程中负载维持不变。
若在启动和关闭中都使用相同的辅助负载，则结果是无论启动、关闭或两者都没有得到优化。在关闭过程中，可将一个具有不同电阻和额定功率的单独的辅助负载连至燃料电池直至电池组电压降至规定值以下，之后再断开。在启动和关闭过程使用两个独立的不同辅助负载来限制电压，实现和组装成本较高。
在启动期间，将阳极燃料按某种方式引入整个燃料电池组内，每个燃料电池内的温度都不均匀，且进入每个燃料电池内燃料流场的量也不同。若电流是从没有充足燃料的电池中引出，则结果被称为“燃料枯竭”，这时在具有不充足燃料的单个电池中产生负电压。因此，用来连接辅助负载的开路电池组电压必须设置得足够高，以保证所有的电池都有足够的燃料。这将使许多单个电池的电压上升到高于产生不希望的燃料电池衰退机制的水平。
现有技术系统没有足够的强度来适应由于制造公差引起的各单个动力装置之间的变化，或者在动力装置整个工作寿命中发生的变化。用来连接和断开辅助负载的控制参数必须很保守，以避免产生负的单个电池电压。这意味着许多单个电池电压要升到高于希望尽可能不产生电池衰退机制的值。
用作启动和关闭期间电压限制的辅助负载的大小必须能耗散这些过渡期内电池产生的全部能量。设计时必须考虑到最坏情况的环境条件，如冷却剂温度和周围环境的温度，这样的设计将会比为正常的典型动力装置工作条件的设计成本更高。
对启动和关闭利用单个辅助负载或分开的固定辅助负载，对于减轻过压状况和燃料电池性能的衰退都不太令人满意，因此把注意力集中到燃料入口管线系统的布局上，以使燃料更均匀地引入燃料电池组的所有电池内。这些系统很昂贵而且用于小型装置，如由燃料电池动力装置供电的电动汽车，太麻烦。
发明内容
本发明的目的包括避免复杂的燃料入口管线设计；更简单、成本更低而有效的燃料电池组电压限制装置组装；燃料电池组的启动和关闭两种情况使用单一的电压限制辅助负载；在启动和关闭期间准确控制燃料电池组电压；根据单个燃料电池组的启动和关闭特性燃料电池组电压限制是可以调节的，而且对于每个燃料电池组在工作寿命期间启动和关闭特性的变化可以调节；电压限制能力可适应反应剂流速和分布的允许误差；以及用来限制燃料电池组在启动和关闭期间的电压的辅助负载热特性的允许误差；控制电压限制辅助负载温度不让它损坏并得到最大限度的利用；不用温度传感装置而对电压限制辅助负载提供温度保护；当控制具有电压限制辅助负载的燃料电池组启动和关闭期间的电压时避免热损失；以及减少燃料电池动力装置内的元件数量。
按照本发明，将一个电压限制辅助负载周期性地接入和断开燃料电池组外电路，以便有效地控制启动和关闭期间燃料电池组上的有效负载。这种控制在一个实施例中就是简单地找出电压上下限。在另一个实施例中，脉冲宽度调制控制的占空比，是燃料电池组电压的函数。在还有一个实施例中，脉冲宽度调制控制的占空比被辅助负载的温度进一步限制，因而在防止它受损的同时能获得最佳性能；在一种形式中，温度是直接测出的，在另一种形式中，作为能量平衡的函数的热模型限制所用的脉冲宽度调制控制的占空比。
另外，按照本发明，对燃料电池组的启动和关闭使用单一电压限制辅助负载。在另一个实施例中，该负载也可用作燃料电池组的加热元件，如加热入口空气，蓄水池内的水，或焓回收装置的板等。
本发明的其它目的，特性和优点将从下面对由附图表示的实施例的详细说明中更清楚了解到。
图1是现有技术燃料电池动力装置的示意框图，所述装置对启动和关闭两者使用单一的电压限制辅助负载电阻。
图2是燃料电池动力装置的示意框图，它采用一个开关和控制器，从而周期性地将电压限制辅助负载连至本发明的燃料电池动力装置的外电路。
图3是一个燃料电池组每个电池电压的平均值的曲线图，此堆中电压限制辅助负载周期性地接入和断开燃料电池组的外电路。
图4是各电压比较器的简化示意图，所述比较器实现图3所示电压限制辅助负载的通断。
图5是按本发明的一个电子开关根据不同的关闭和启动占空比时间表的脉宽调制控制示意图。
图6是一个电压限制辅助负载的脉宽调制开关示意图，具有对最大占空比的温度响应限值。
图7是一个电压限制辅助负载开关的脉宽调制控制示意图，它利用一个温度模型来限制最大占空比。
图8是一个已转换的电压限制辅助负载的示意图，它被用作燃料电池组蓄水池内的加热器。
图9是用作燃料电池组空气入口内的加热器的一个已转换的电压限制辅助负载的部分示意图。
图10是一个已转换的电压限制辅助负载的部分示意图，此负载包含燃料电池动力装置空气回路内一个焓回收装置的一些导电石墨复合板。
具体实施例方式
参见图2，按照本发明，开关200至少根据外电路177、178间的燃料电池组电压，在燃料电池组启动和燃料电池组关闭期间循环工作。开关控制装置201可以具有很多种结构，如图4-8所示。各种功能，如实现启动和关闭程序，由以处理器为基础的控制器202进行控制。
开关控制装置201的第一种结构(如图3所示)，在堆中每个电池的平均电压达到一个上限203，可能在0.33V左右时关闭开关200。产生的电流使电压下降；当电压降至一个下限204，可能在0.13V左右时，开关200再次被打开。
图4是比较器205、206的简化示意图，所述比较器通过比较线177上的电池组电压和线207上的上限电压而接通电子开关，如绝缘栅双极晶体管(IGBT)208，并且通过比较线177上的电池组电压和线209上的下限电压，在电压达到此下限时关闭该电子开关208，这都显示在图3中。上限和下限电压可以分别是每电池0.4V和0.0V，但最好是每电池0.2V和0.1V。在实施本发明时，图4所示的控制电子开关208的功能由以微处理器为基础的控制器202控制。
图3所示的运作也可以由商用电压响应磁(电)滞开关来执行，此开关由Eurotherm Action公司提供(网址www.eurotherm.com和www.actionio.com)，型号AP1080和AP1090。这些型号在100毫秒后对上、下限电压作出响应，或者打开或者关闭相应的开关；但不难改装成仅在25毫秒后就对电压作出响应。
由于在启动时适合于将辅助负载接入和断开电路的电压可能与关闭时的适当电压不同，图4所示的上、下限在一种情况下可以按关闭选择，而在另一种情况下按启动选择。如果采用商用开关，如AP1080或AP1090，则可实现独立的开关，每个有一组适当的电压限，一组用于启动过程，另一组用于关闭过程。
图5是开关控制装置201的另一种形式的简化示意图，它采用一种启动时间表212和一种关闭时间表213，由开关214选择其中正确的一种为脉宽调制功能215提供指示正确占空比(即开关208接通的时间占总时间的百分数)的电压，以由辅助负载148实现所希望的平均电压限制效果。
在启动过程中，在堆内每电池平均电压达到0.3V左右之前，不需要辅助负载148有电压限制效果。然后从电池引出电流以及避免电池内电压过高的要求随时间增加，直至全部燃料流场完全被燃料填充，从而完成启动。
另一方面，在关闭过程中，占空比急速增至一个最大值，它被选定来限制加到负载上的最大能量。时间表212或213所要求的准确占空比与燃料电池组自身的总体设计及辅助负载148的大小有关。
脉宽调制功能215是常规的，它将从开关214接收的电压转变为开关208的周期性栅通脉冲，以将辅助负载148与电池组(177，178)连接一个所需的时间百分数。这样就可用脉宽调制控制有效辅助负载。下面把占空比时间表212或213连同开关214一起叫做调制控制装置219，在图5中用虚线表示。
在图6中，辅助负载148的温度用一个温度传感器221进行监控，以提供线222上的温度信号作为最大占空比时间表225的输入。对于温度控制，只要温度不超过阈值温度，Tt，开关208的占空比可高至100％。当超过阈值温度时，则最大占空比作为温度的函数而减小，如时间表225所示。时间表225的输出在线226上提供一个可变限制函数229，有时称为“不大于”函数，其中的限制由线226上的信号进行控制。
线216上来自调制控制216的信号(用图5说明)将不受影响地通过线213上的限制函数229而传给脉宽调制控制215，直到辅助负载148的温度超过阈值温度。然后，线213上的信号将被限制为不大于线226上的信号。这样一来，当占空比足够高而造成它过热时，辅助负载148将不与电池组相连接。这是本发明的另一个重要方面。
图7中采用一个热学模型235代替温度传感器来监控辅助负载148的温度(如图6那样)。首先，在功能236内堆电压为方形并被除以辅助负载148的电阻后为线237提供信号，它代表辅助负载148消耗的峰值功率。由调制控制装置219操纵的占空比被用于功能239内，提供一个信号在线240上，它是该功率的一部分，由调制控制装置219所确定的目前的占空比决定。将代表与负载连接时间百分比成比例的平均功率的线240上的信号加到热学模型235上，它将确定加到“不大于”限制电路229的线243上的信号。这样就可以控制PWM信号的占空比，从而限制辅助负载的最高温度，正如由能量平衡模型预测的那样。此模型包括能量耗散能力计算并需要测量的或假定的冷却剂空气或水的温度和流量。
按本发明的另一个方面，可以按多种方式利用辅助负载148来帮助加热和/或控制燃料电池组的温度。在图8的例子中，在散热器136和流量控制阀或节流孔138之间安置了一个蓄水池。辅助负载148是置于蓄水池247内的加热器。如前所述，由于通过操纵开关208调制控制可以造成一个平均的有效负载，把辅助负载的大小做成一个适当的加热器没有任何问题。在图8中，温度传感器249检测蓄水池内水的温度，并将线250上的温度信号提供给作为温度的函数的所要求占空比的时间表251。线254上的输出被加到调制控制219内开关214的中心端子。因此，根据开关214的设定情况，脉宽调制电路215将对关闭时间表，启动时间表或温度时间表作出响应。
典型情况下，图8所示的本发明实施例，将通过利用本领域的技术人员所熟知的普通编程原理编制的软件在控制器202内实施。
也可以不加热图8所示蓄水池247内的水，而是辅助负载148置于如图9所示空气入口进给阀158和空气入口124之间的加热交换装置257内。这时由温度传感器249检测入口空气的温度并按图8所示进行控制。
图10简单表示的本发明另一个方面，是利用处于焓回收装置262内的导电石墨复合板260(用虚线表示)作为限制启动和关闭电压的辅助负载。为一致起见，在图10仅示出了辅助负载148，这个电阻实际上是一系列导电石墨复合板260电阻的总和。可以在空气入口管道160内放一个温度传感器249，为线250上提供信号。然后按前面图8所述进行控制。
应当清楚，本发明可以对操作，尤其是时间表212、213(图5)，进行修改，使之适合不同的单个燃料电池动力装置和适应随着燃料电池的使用而退化所引起的变化，这是本发明的一个重要特点。
虽然本发明是用响应于燃料电池组电输出的电压的实施例加以说明，但本发明也也可以响应于堆电输出的其它特性。
权利要求
1.一种燃料电池动力装置(100)，包括若干串联成组的燃料电池(102)，此组有一对外电路输出端子(177、178)；和一个电压限制辅助负载(148)，用来让热量耗散在该燃料电池动力装置的一个元件(247、257、262)内，从而使所述元件的温度升高；其特征在于一个开关(200)与这些端子之间的辅助负载串联连接；和一些在燃料电池组启动和关闭的转换运行期间工作的开关控制装置(201；205，206；212，213)，用来交替地(a)连接这些端子之间的辅助负载；(b)将该辅助负载从这些端子中的至少一个上断开，根据燃料电池的电输出在这些转换期的至少一个期间重复；并且这些开关控制装置根据由该辅助负载耗散在此元件内的热量而产生的温度(225，251)而在除启动和关闭以外的时间内运行。
2.一种燃料电池动力装置(100)，包括若干串联成组的燃料电池(102)，此组有一对外电路输出端子(177、178)；一个电压限制辅助负载(148)；其特征在于一个开关(200)与这些端子之间的辅助负载串联连接；和若干在燃料电池组启动或关闭的转换运行期间工作的开关控制装置(201，205，206，212，213)，用来交替地(a)连接这些端子之间的辅助负载，(b)将该辅助负载从这些端子中的至少一个上断开，并在这些转换期的至少一个期间重复。
3.如权利要求2所述的动力装置，其中开关控制装置(201)可根据燃料电池组的电输出进行工作。
4.如权利要求2所述的动力装置，其中该开关控制装置包括响应于端子上的电压的函数(219)的脉宽调制(215)。
5.如权利要求4所述的动力装置，其中该函数(219)至少是作为端子上的电压的函数的所需的一个时间表。
6.如权利要求5所述的动力装置，其中该函数是在启动(212)期间的第一时间表，和在关闭(213)期间的与第一时间表不同的第二时间表。
7.如权利要求4所述的动力装置，其中该开关控制装置根据耗散在辅助负载内的功率(235，236，239)的函数限制占空比。
8.如权利要求2所述的动力装置，其中该开关控制装置根据耗散在辅助负载内的功率(235，236，239)的函数限制开关接通端子间的辅助负载的时间长度。
9.如权利要求2所述的动力装置，其中该开关控制装置(205)在端子间的电压达到每个电池0.4V时使该开关接通端子间的辅助负载；及该开关控制装置(206)在端子间的电压达到每个电池0.0V时使该开关从至少一个端子上断开辅助负载。
10.一种如权利要求2所述的动力装置，其中该开关控制装置(205)在端子间的电压达到每个电池0.2V时，使该开关连接端子间的辅助负载。该开关控制装置(206)在端子间的电压达到每个电池0.1V时，使该开关该辅助负载从至少一个端子上断开。
11.一种如权利要求2所述的动力装置，还包括温度装置(221，249)，用来提供指示辅助负载温度的信号，且其中开关装置(215，251)在指示温度的信号超过阈值温度时，限制该开关使端子间的辅助负载接通的时间长度。
12.一种如权利要求2所述的动力装置，其中该开关控制装置(205)在端子间的电压达到上限电压时，使该开关让端子间的辅助负载连接上；该开关控制装置(206)在端子间的电压达到下限电压时，使该开关让该辅助负载从至少一个端子上断开。
13.一种如权利要求12所述的动力装置，其中上限电压为每个电池0.4V，下限电压为每个电池0.0V。
14.一种如权利要求12所述的动力装置，其中上限电压为每电池0.2V，下限电压为每电池0.1V。
15.一种燃料电池动力装置(100)，包括若干串联成组的燃料电池(102)，此组有一对外电路输出端子(177、178)；其特征在于一个电压限制辅助负载(148)，用来让热量耗散在该燃料电池动力装置的一个元件(247、257、262)内，从而使该组的温度升高；一个开关(200)与这些端子之间的辅助负载串联连接；和开关控制装置(201)，它在以下期间工作以控制该开关(a)根据燃料电池组的电输出在启动或关闭的转换期间(205，206，212，213)，(b)根据由该辅助负载耗散在此元件内的热量而产生的温度(225，251)在除启动和关闭以外的期间。
16.如权利要求15所述的动力装置，其中该元件是燃料电池动力装置内的蓄水池(247)。
17.如权利要求15所述的动力装置，其中该元件(257)将氧化剂导向此燃料电池组。
18.如权利要求15所述的动力装，其中该元件是燃料电池动力装置中的焓回收装置(262)。
19.如权利要求18所述的动力装置，其中该辅助负载包含焓回收装置内的导电石墨复合板(260)。
全文摘要
在启动和关闭过程中，燃料电池组(102)的辅助负载(148)借助开关(200)按照开关控制(201)反复交替地与燃料电池外电路(177，178)连通和断开。此开关可以是绝缘栅双极晶体管(208)，它通过搜索上限电压(207)和下限电压(208)而实施接通和断开，这可以用比较电路(205，206)由控制器(202)或由商用电压响应磁滞开关来实施。作为启动(212)和关闭(213)时电池组电压的函数的占空比时间表控制脉宽调制器(215)，所述脉宽调制器操纵此开关。控制(229，231)可按照负载温度(221)或电压/功率模型(235)限制调制度从而使辅助负载不致过热。此辅助负载可包括蓄水池(247)内的加热器，空气进气装置(257)，或焓回收装置(262)。
文档编号H01M8/04GK1890833SQ200480036393
公开日2007年1月3日 申请日期2004年10月5日 优先权日2003年10月7日
发明者T·斯基巴, D·D·杰恩, P·A·格鲁布, R·格罗弗, T·M·雷默斯, W·小塞拉切克 申请人:Utc燃料电池有限责任公司