專利名稱：燃料電池開路電壓的低功率控制的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
通過使用將對于操作在臨界電壓水平(高于該臨界電壓水平燃料電池就可能會(huì)發(fā)生退化)下的燃料電池消耗最小功率的預(yù)先選擇的輔助負(fù)載，對新鮮空氣和陰極再循環(huán)廢氣的數(shù)量進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而把燃料電池電壓保持在臨界電壓以下的較小范圍內(nèi)。
背景技術(shù)：
據(jù)授予Reiser和Landau的美國專利4，202，933所述，在較低功率水平下的燃料電池動(dòng)力裝置的操作會(huì)導(dǎo)致高電池電壓，從而會(huì)導(dǎo)致催化劑和催化劑支持材料發(fā)生腐蝕。 這會(huì)導(dǎo)致低功率操作下的嚴(yán)重性能衰減。在其功率需求常常是零的交通工具中，動(dòng)力裝置的反復(fù)發(fā)生的低功率空轉(zhuǎn)將導(dǎo)致隨著時(shí)間而增加的性能衰減。前面提到的專利還指出，僅僅減少對陰極的空氣輸入會(huì)導(dǎo)致每一塊燃料電池內(nèi)的嚴(yán)重的電流密度分布不均。也就是說，靠近燃料電池空氣進(jìn)口的電流密度非常高，但是靠近空氣出口的電流密度非常低。這會(huì)導(dǎo)致燃料電池的空氣進(jìn)口區(qū)域處的過度加熱，這可能導(dǎo)致附加的性能損失和燃料電池組件的可能破裂。在前面提到的專利中，陰極廢氣被再循環(huán)到陰極空氣進(jìn)口，以便降低所生成的功率并且同時(shí)至少在某種程度上控制在各塊電池中所達(dá)到的電壓。這樣做會(huì)減輕電流密度分布不均和腐蝕。在前面提到的專利中，提供期望功率輸出以便與實(shí)際功率輸出進(jìn)行比較；如果實(shí)際功率高于期望功率，則陰極再循環(huán)被用來導(dǎo)致電壓降；功率調(diào)節(jié)設(shè)備降低實(shí)際功率輸出。這可以繼續(xù)，直到達(dá)到期望功率輸出水平或臨界電壓為止。該方法的問題在于，可能必須生成高達(dá)20千瓦的功率以便把電壓保持在臨界水平以下。雖然該功率可以被用于為電池充電或者用于運(yùn)行輔助裝備，但是在許多情況下必須簡單地將其作為熱量耗散掉，這可能是非常困難的問題，特別在交通工具中尤其如此。授予kheffler和Vartanian的美國專利4，859，545利用一種算法來控制空氣利用率以確保個(gè)別電池不會(huì)缺氧，其中所述算法涉及到陰極廢氣處的氧氣濃度、當(dāng)前電流輸出下的摩爾耗氧率以及流入陰極的氣體?？諝膺M(jìn)口閥門被向上或向下調(diào)節(jié)以便實(shí)現(xiàn)所期望的空氣利用率。其中沒有公開應(yīng)對輸出功率的方式。

發(fā)明內(nèi)容
為了在燃料電池堆操作于低功率水平時(shí)控制各燃料電池的電壓，把所述燃料電池堆連接到預(yù)定的電阻性輔助負(fù)載，所述電阻性輔助負(fù)載的大小將耗散的功率數(shù)量與電壓恰好低于臨界值時(shí)將存在的電流有關(guān)，而在所述臨界值以上將會(huì)發(fā)生催化劑腐蝕和/或催化劑支持材料腐蝕。通過以下方式對陰極再循環(huán)和進(jìn)口氣流進(jìn)行調(diào)節(jié)以建立所需電壓在保持有足夠的氣流流過陰極的同時(shí)減少可用的氧氣，從而避免電流密度分布不均?？梢酝ㄟ^閥門、孔口或鼓風(fēng)機(jī)速度來調(diào)節(jié)空氣進(jìn)口流速和陰極再循環(huán)流速。舉例來說，在典型的燃料電池動(dòng)力裝置中，在低功率水平下利用的所述輔助電阻性負(fù)載對于每塊電池將需要耗散半瓦特量級的功率。對于100千瓦的動(dòng)力裝置，這將是大約500瓦特?？梢岳弥鲃?dòng)式動(dòng)力裝置熱管理系統(tǒng)來耗散所得到的熱量，或者可以按照被動(dòng)方式(比如輻射和/或?qū)α?從周圍環(huán)境傳遞所得到的熱量。根據(jù)下面對如在附圖中示出的示例性實(shí)施例的詳細(xì)描述，其他變型將變得顯而易見。


圖1是具有可有開關(guān)控制的(SWitchable)輔助負(fù)載和陰極再循環(huán)的燃料電池動(dòng)力裝置的簡化示意圖，其可用于開路電壓的低功率控制。圖2是燃料電池的示例性性能曲線。
具體實(shí)施例方式參照圖1，燃料電池動(dòng)力裝置5包括燃料電池堆6，每一塊燃料電池都具有陽極催化劑層、陰極催化劑層以及布置在所述層之間的質(zhì)子交換膜。每一塊燃料電池還具有鄰近陽極催化劑層的燃料反應(yīng)物氣流場通道，其中在所述燃料流場通道與催化劑層之間具有或沒有附加層。每一塊燃料電池還具有鄰近陰極催化劑層的氧化劑反應(yīng)物氣流場通道，其中在所述氧化劑反應(yīng)物氣流場通道與陰極催化劑層之間具有或沒有附加層。這些內(nèi)容是已知的并且沒有在圖中示出。陽極9和陰極10通過質(zhì)子交換膜11分開。陽極9接收來自源14的燃料，所述燃料經(jīng)過壓力調(diào)節(jié)器15和由控制器17調(diào)節(jié)的流控制閥門16。陽極的燃料進(jìn)口 19還接收來自再循環(huán)泵21的管道20中的再循環(huán)燃料，所述再循環(huán)泵21通過管道22連接到陽極燃料出口 23?？刂破?7還操作清除閥門25以便周期性地或者持續(xù)地釋放小部分的陽極廢氣， 從而使得燃料電池去除諸如氮?dú)庵惖奈廴疚锖投栊晕?。閥門25通過管道27連接到混合箱28，陽極廢氣在該處與管道四中的陰極廢氣混合。所述混合箱在管道31中的外流可以是流向周圍環(huán)境或者流向某種受控約束(confinement)。陰極10在進(jìn)口 34處接收來自鼓風(fēng)機(jī)35的空氣?？諝獗皇┘拥竭^濾器38的輸入 37，所述過濾器38的輸出在管道39中被傳遞經(jīng)過由控制器17調(diào)節(jié)的空氣控制閥門40。陰極出口 42通過再循環(huán)管道44、閥門45和管道46連接到鼓風(fēng)機(jī)35的進(jìn)口 47，所述鼓風(fēng)機(jī) 35還通過管道48連接到閥門40。再循環(huán)控制閥門45由控制器17操作，以便控制(如果有的話)通過管道46返回到鼓風(fēng)機(jī)35的進(jìn)口 47和陰極空氣進(jìn)口 34的再循環(huán)空氣的數(shù)量。陰極出口 42還通過管道50經(jīng)過檢查閥門51連接到管道29，以便將陰極廢氣提供到混合箱觀，從而在所述混合箱將其釋放到管道31中之前稀釋可能留存在陽極廢氣中的任何氫氣。舉例來說，在所公開的實(shí)施例中，來自燃料電池堆的陽極端的由減號標(biāo)示的燃料電池堆電功率輸出M通過開關(guān)55連接到傳統(tǒng)的功率調(diào)節(jié)器56，所述功率調(diào)節(jié)器56在圖中僅僅被示意性地示出。功率調(diào)節(jié)器56的輸出57連接到實(shí)際負(fù)載59，所述實(shí)際負(fù)載59可以是交通工具或者其他用電設(shè)備。所述開關(guān)被示出為連接到輔助負(fù)載60，比如在前文中關(guān)于燃料電池開路電壓的低功率控制所描述的輔助負(fù)載。如在圖中示意性地示出的那樣，所述負(fù)載通過返回線62連接到由加號標(biāo)示的所述燃料電池堆的陰極端。在這里的實(shí)施例中，按照其可能用于交通工具的情況(特別是具有大量重復(fù)的無功率需求時(shí)段的交通工具，比如將在由于交通狀況或者為乘客提供服務(wù)而減速或停止期間空轉(zhuǎn)的公共汽車)來描述燃料電池開路電壓的低功率控制。在這里所描述的實(shí)施例中，表示用電設(shè)備(比如交通工具加速踏板68)所需求的電氣負(fù)載的信號67或者表示用電設(shè)備中的多種狀況的復(fù)合負(fù)載需求信號向所述控制器表明需要燃料電池堆向負(fù)載59提供的功率。如果信號67表明基本上沒有負(fù)載需求(比如交通工具處于空轉(zhuǎn))，則所述控制器將操作開關(guān)55以便把燃料電池堆的輸出連接到輔助負(fù)載 60。但是當(dāng)信號67表明有功率需求時(shí)，所述控制器將使得開關(guān)55把燃料電池堆的電氣輸出連接到負(fù)載59。圖2是視情況而定的燃料電池或燃料電池堆的性能曲線的粗略圖示。在任何功率水平下都將存在通過所述性能曲線與電流密度相關(guān)的電壓。在圖2中，點(diǎn)劃線表示性能曲線上的可能接近最大功率輸出的位置(X/2)。最大功率大約處于性能曲線直線部分的直線延伸(虛線)的電壓(X)的一半。性能曲線上的表示最小功率輸出(比如在空轉(zhuǎn)時(shí))的位置大約處于0.98伏特。電流密度越低，電壓就越高。對燃料電池開路電壓的控制是為了確保電壓將不會(huì)高于臨界電壓，所述臨界電壓在圖2中的短劃線上方被標(biāo)示為大約0. 85伏特，高于該臨界電壓就可能會(huì)發(fā)生腐蝕和性能衰減。輔助負(fù)載60被選擇成使得在已經(jīng)選擇的功率耗散水平下，該輔助負(fù)載中的電流將與所述性能曲線(圖2)上的電流密度相關(guān)，在此處電壓比臨界電壓低某一余量(比如1伏特的幾百)。在一種典型的情況下，850毫伏是可能的臨界電壓。因此，所述控制器可以被配置成使得電壓在低功率需求期間保持在較小電壓范圍內(nèi)，比如保持在830毫伏和890毫伏之間。這樣就在確保不會(huì)超出臨界電壓的同時(shí)提供了所期望的低功率輸出。當(dāng)信號67表明基本上沒有需求(零或接近零功率)時(shí)，比如交通工具空轉(zhuǎn)，此時(shí)開關(guān)陽轉(zhuǎn)移到輔助負(fù)載60，將通過調(diào)節(jié)閥門16、40同時(shí)減少到達(dá)燃料電池堆的燃料和空氣輸入并且陰極再循環(huán)閥門45將被打開，從而促成陰極再循環(huán)流，這將導(dǎo)致具有低氧氣含量的較大陰極氣流。較低氧氣含量導(dǎo)致較低電流密度，并且在各塊燃料電池中只有輕微的電流分布不均。在一個(gè)實(shí)施例中，閥門45可以由控制器17完全打開并且在低功率需求時(shí)段期間保持打開。在這種情況下，對實(shí)際電壓的控制將駐留在閥門40中，所述閥門40控制被提供給陰極的新鮮空氣的數(shù)量。如果電壓過高，則以某一增量(最可能反復(fù)地)關(guān)閉閥門40，直到電壓達(dá)到電壓下限為止。隨后可以把閥門打開某一增量或若干增量，直到電壓達(dá)到上限為止。在其他實(shí)施例中，可以對閥門40進(jìn)行調(diào)節(jié)直到電壓處于界限內(nèi)為止，并且隨后除非電壓達(dá)到其中一個(gè)界限否則不再對其進(jìn)行調(diào)節(jié)。閥門45還可以是由控制器17連續(xù)控制的計(jì)量閥門。在這種情況下，所述控制器將根據(jù)預(yù)定調(diào)度表來進(jìn)行操作以便采用燃料電池開路電壓的當(dāng)前低功率控制，所述預(yù)定調(diào)度表可以對于任何特定的燃料電池動(dòng)力裝置10憑經(jīng)驗(yàn)確定。將以如下方式來建立這樣的調(diào)度表，即使得流過陰極的氣流保持在足夠較低的閾值水平，而且同時(shí)電壓將被控制得低于臨界水平。這樣將會(huì)利用到陰極再循環(huán)(有可能包括最大可能再循環(huán)流)，同時(shí)通過在閥門40處控制進(jìn)口空氣來提供剩下的所需流量。由于增大的再循環(huán)流將會(huì)降低電壓并且增大的空氣流將會(huì)提高電壓，因此可以通過以下方式來控制電壓增大空氣流直到達(dá)到臨界電壓為止，并且隨后增大再循環(huán)直到達(dá)到第二電壓為止，所述第二電壓比臨界電壓低1伏特的某一分?jǐn)?shù)?；蛘呖梢詫λ鼈儺?dāng)中的任一項(xiàng)進(jìn)行調(diào)節(jié)直到電壓處在臨界電壓與第二電壓之間為止，并且隨后直到電壓發(fā)生改變并且需要調(diào)節(jié)為止都不再進(jìn)行其它調(diào)節(jié)。
權(quán)利要求
1.一種用于被配置成(a)向靜止負(fù)載或(b)作為動(dòng)力向交通工具(59)提供功率輸出 (57)的質(zhì)子交換膜燃料電池動(dòng)力裝置(5)的方法，所述方法的特征在于響應(yīng)于由所述負(fù)載提供的空轉(zhuǎn)信號執(zhí)行下面的操作，其中所述空轉(zhuǎn)信號表明從所述負(fù)載有大量功率需求(68)改變成所述負(fù)載的功率需求幾乎為零(a)把所述動(dòng)力裝置的功率輸出(57)從所述交通工具(59)斷開，并且把預(yù)定的固定電阻性負(fù)載(60)連接到所述功率輸出以替代所述交通工具；(b)監(jiān)控所述動(dòng)力裝置的至少一塊燃料電池的電壓；以及(c)減少(40)提供給所述空氣進(jìn)口的空氣數(shù)量；(d)以把所述至少一塊電池的電壓限制成小于臨界電壓的數(shù)量把所述動(dòng)力裝置的燃料電池的陰極廢氣(42)再循環(huán)到所述燃料電池的空氣進(jìn)口(34)，其中在所述臨界電壓以下電池不會(huì)發(fā)生過度腐蝕。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其特征還在于，在步驟(d)之后，把進(jìn)口空氣(48)調(diào)節(jié)(40) 到它所能達(dá)到的最高，而通過調(diào)節(jié)再循環(huán)的陰極廢氣的數(shù)量把電壓限制到臨界電壓。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的方法，其特征還在于，當(dāng)所述至少一塊電池的電壓達(dá)到臨界電壓時(shí)，把較少空氣和較多陰極廢氣提供到空氣進(jìn)口，并且當(dāng)所述至少一塊電池的電壓被降低到第二電壓時(shí)，把較多空氣和較少再循環(huán)提供到空氣進(jìn)口，其中所述第二電壓比臨界電壓低1伏特的某一小分?jǐn)?shù)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3的方法，其特征還在于，所述臨界電壓處在大約0.85伏特和大約 0. 89伏特之間，并且所述第二電壓處在大約0. 83伏特和大約0. 85伏特之間。
5.根據(jù)權(quán)利要求3的方法，其特征還在于，所述臨界電壓是大約0.85伏特，并且所述第二電壓是大約0. 83伏特。
6.一種設(shè)備，其包括燃料電池動(dòng)力裝置(5)，其被配置成向(a)交通工具輸出負(fù)載或(b)靜止輸出負(fù)載提供電功率；所述動(dòng)力裝置包括燃料電池堆(6 )，每一塊燃料電池包括具有陽極催化劑層和陰極催化劑層以及布置在所述各層之間的質(zhì)子交換膜的膜電極組件；具有鄰近陽極催化劑層布置的燃料流場通道的多孔親水性陽極水傳遞板，其中在陽極水傳遞板與陽極催化劑層之間具有或沒有附加層；具有鄰近陰極催化劑層布置的氧化劑流場通道的多孔親水性陰極水傳遞板，其中在陰極水傳遞板與陰極催化劑層之間具有或沒有附加層；所述動(dòng)力裝置還包括 控制器(17);燃料源(14)，其通過可控燃料閥門(16)連接到所述燃料流場通道的進(jìn)口 ； 空氣源(40 )，其被配置成向所述氧化劑流場通道(10 )的空氣進(jìn)口( 34 )提供可控?cái)?shù)量的空氣；包括鼓風(fēng)機(jī)(35 )或再循環(huán)鼓風(fēng)機(jī)的能夠選擇地操作的再循環(huán)回路(44-46 )，其被配置成對所述控制器做出響應(yīng)，以便把可控?cái)?shù)量的氧化劑流場廢氣再循環(huán)到所述氧化劑流場的進(jìn)口 ；其特征在于電阻性負(fù)載(60)，其被選擇成在燃料電池堆向所述電阻性負(fù)載施加預(yù)定臨界電壓時(shí)耗散燃料電池堆最大功率的預(yù)定一小部分；以及可控開關(guān)(58)，其被配置成把所述燃料電池堆的電輸出交替地連接到輸出負(fù)載或電阻性負(fù)載；所述輸出負(fù)載被配置成向所述控制器提供功率需求(68)的指示(67)；所述控制器響應(yīng)于基本上沒有功率需求的指示被配置成執(zhí)行以下操作(a)減少提供到燃料進(jìn)口的燃料數(shù)量，(b)把所述開關(guān)放置成將燃料電池堆連接到電阻性負(fù)載，(c)減少提供到空氣進(jìn)口的空氣，以及(d)操作再循環(huán)回路；所述控制器響應(yīng)于功率需求的指示被配置成執(zhí)行以下操作(e)把所述開關(guān)放置成將燃料電池堆連接到輸出負(fù)載，(f)禁用再循環(huán)回路，(g)增加提供給所述燃料進(jìn)口的燃料數(shù)量，以及(h)增加提供給空氣進(jìn)口的空氣。
7.根據(jù)權(quán)利要求6的燃料電池動(dòng)力裝置(5)，其特征還在于，所述控制器(17)被配置成使得再循環(huán)回路(44-46)以把燃料電池電壓限制到預(yù)定臨界電壓的數(shù)量把受控?cái)?shù)量的氧化劑流場廢氣(42)再循環(huán)到空氣進(jìn)口(34)，在所述預(yù)定臨界電壓以下燃料電池不會(huì)發(fā)生過度腐蝕。
8.根據(jù)權(quán)利要求7的燃料電池動(dòng)力裝置(5)，其特征還在于，所述控制器(17)被配置成當(dāng)至少一塊電池的電壓達(dá)到臨界電壓時(shí)，使得空氣源(40)和再循環(huán)回路(44-46)向空氣進(jìn)口提供較少空氣和較多陰極廢氣，并且所述控制器被配置成當(dāng)至少一塊電池的電壓降低到第二電壓時(shí)，使得所述空氣源和再循環(huán)回路向空氣進(jìn)口提供較多空氣和較少陰極廢氣， 其中所述第二電壓比臨界電壓低1伏特的某一分?jǐn)?shù)。
9.根據(jù)權(quán)利要求8的燃料電池動(dòng)力裝置(5)，其特征還在于，所述控制器(17)被配置成把臨界電壓設(shè)定在大約0. 85伏特，并且把第二電壓設(shè)定在大約0. 83伏特。
10.根據(jù)權(quán)利要求8的燃料電池動(dòng)力裝置(5)，其特征還在于，所述控制器(17)被配置成把臨界電壓設(shè)定在大約0. 85伏特和大約0. 89伏特之間，并且把第二電壓設(shè)定在大約 0. 83伏特和大約0. 85伏特之間。
11.根據(jù)權(quán)利要求1的燃料電池動(dòng)力裝置(5)，其特征還在于，所述燃料電池動(dòng)力裝置被布置在把所述燃料電池動(dòng)力裝置的電功率輸出用作動(dòng)力的交通工具中。
全文摘要
一種燃料電池動(dòng)力裝置(5)，其包括燃料電池堆(6)，其中的每一塊燃料電池具有陽極(9)、陰極(10)以及布置在陽極與陰極之間的PEM(11)?？刂破?17)識別負(fù)載(59)沒有負(fù)載需求(68)的指示(67)，以便利用處理鼓風(fēng)機(jī)(35)操作(45)空氣再循環(huán)回路(44-46)并且把所述燃料電池堆的功率輸出(57)從所述負(fù)載(59)轉(zhuǎn)移到輔助負(fù)載(60)，所述輔助負(fù)載包括電阻，當(dāng)燃料電池堆操作在臨界電壓(在所述臨界電壓之上燃料電池腐蝕是不可接受的)時(shí)，所述電阻將響應(yīng)于施加給其的電流而消耗預(yù)定的少量功率。燃料和空氣也將被減少(16，40)。所述控制器可以在達(dá)到臨界電壓時(shí)使得陰極再循環(huán)增多，并且在電壓比臨界電壓低1伏特的某一分?jǐn)?shù)時(shí)使得空氣增多。
文檔編號H01M8/04GK102171876SQ200880131391
公開日2011年8月31日 申請日期2008年10月3日 優(yōu)先權(quán)日2008年10月3日
發(fā)明者C·A·里澤, M·P·威爾遜, V·亞達(dá) 申請人:Utc 電力公司