燃料电池系统及其冷却控制方法技术方案

本发明专利技术涉及一种燃料电池系统以及该燃料电池系统的冷却控制方法。该燃料电池系统的冷却控制方法包括根据时间变化测量燃料电池组产生的电压，根据该测得的电压将燃料电池组的内部温度保持在预定值。该方法还包括控制冷却水的温差。这里当测得的电压大于或等于预定值时正常地提供冷却水，当测得的电压小于该预定值时由控制器改变燃料电池组的冷却水的入口温度和出口温度之间的差值。因此能防止由于燃料电池组中过多的水分导致的对发电性能的损坏，从而通过电化学反应能有效地实现发电过程。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及一种利用质子交换薄膜燃料电池(PEMFC)的燃料电池系 统。尤其，本专利技术涉及一种燃料电池系统以及该燃料电池系统的冷却控 制方法，该燃料电池系统通过有效地去除燃料电池组的电极层中的水分 或者有效地提供反应气体给燃料电池组能产生稳定的电能。
技术介绍
PEMFC利用具有氢离子交换特性的质子交换薄膜作为电解薄膜。该 PEMFC通过利用含有氢气的燃料气体以及含有氧气的空气之间的电化学 反应产生电能和热能。该PEMFC具有快速启动的能力且可设计为小尺寸。 因此，该PEMFC已经广泛地用于各种领域中，例如便携式电源、汽车电 源以及住宅热发电厂。众所周知，通常利用该PEMFC的燃料电池系统包括燃料电池组、燃 料处理单元、电压转换器以及热量回收单元。燃料电池系统重整(reform) 发电材料以提供氬气到燃料电池组的阳极。该燃料电池系统利用鼓风机 将空气提供到燃料电池组的阴极。然后，在燃料电池组的电极层上产生 电化学反应，从而产生电能。这里，电化学反应的公式如下所示。化学公式1阴极 l/202(g) + 2/T +2e- —//20(1)电解反应^ (力+1 / 202 (g) — ^O(l)燃料电池系统的电化学反应发生在电极层(包括催化剂)、电解液以 及反应气体同时相遇的三相接触表面上。电极层在反应气体的扩散以及 电解液的水分供给中发挥了重要的作用。为了调节电极层中产生的水分， 通过添加官能聚合物调节亲水特性或者通过电极的密度控制来调节中等 尺寸的孔隙以及小尺寸的孔隙来释放水分。然而，当燃料电池系统启动或停止时，大量水分可能提供到燃料电 池组的电极层。此外，甚至当该燃料电池系统被驱动在额定工作状态下 时，水分可能过分地被供给，或者其可能将遭受水分的匮乏。因此，该 燃料电池系统的困难在于稳定地保持电能产生的性能。该背景部分公开的上述信息只是为了增加对本专利技术背景的理解，因 此其可能包含在该国家中没有形成对于本领域技术人员早已熟知的现有 技术的信息。公开技术问题本专利技术的实施例提供了 一种燃料电池系统，通过去除大量存在于燃 料电池组的电极层以及气体扩散层的孔隙中的水分来改进该燃料电池系 统以有效地提供反应气体(氧气和氢气)。本专利技术的实施例还提供了 一种 燃料电池系统的冷却控制方法。
技术实现思路
在本专利技术的一个优选的实施例中，燃料电池系统包括其中发生电 化学反应的燃料电池组；通过重整发电材料将氢气提供给燃料电池组的 燃料处理单元；提供氧气到燃料电池组的氧气供给单元；利用冷却水从 燃料电池组吸收热量的冷却单元；从冷却水回收废热的热量回收单元；电压检测器检测的电压将流向燃料电池组的冷却水的温度保持在预定的 范围之内时，响应时间变化改变冷却水入口和出口温度之间差值的控制器。在本专利技术的另一个优选的实施例中， 一种燃料电池系统的燃料电池 组的冷却方法包括根据时间变化测量燃料电池组产生的电压，以及根括，在保持内部温度之后控制冷却水的温度差。这里，当测得的电压大 于或等于预定值时，正常地提供冷却水，当测得的电压小于预定值时， 燃料电池组的冷却水入口和出口温度之间的差值通过控制器进行改变。是否在预定的范围i内r:乂及根据降低率的确定结果通过调节冷却水的 流速将燃料电池组的内部温度保持在预定值。此外，控制冷却水的差值通过交替执行增加流速的过程以及减小流 速的过程来#1行，增加流速乂人而允许冷却水入口和出口温度之间的差值 达到第 一 范围，减小流速从而允许在经过一预定时间之后冷却水入口和 出口温度之间的差值达到第二范围。J:匕夕卜,4吴括内都；m麿"5f向，；fe沐KJ岳EH"间$ 4 ,础是否在预定的范围之内，以及根据降低率的确定结果通过允许燃料电池 组的出口冷却水进行热交换，或者不允许燃料电池组的出口冷却水进行 热交换，而是通过改变热回收路径直接将冷却水引导到燃料电池组中使 得燃料电池组的内部温度保持在预定值。 有益效果在根据本专利技术优选实施例的燃料电池系统以及该燃料电池系统的冷 却控制方法中，因为存在于电极层以及气体扩散层上的水分得到有效地 释放，因此能防止由于燃料电池组中过多的水分导致的对发电性能的损 坏，且由此通过电化学反应能有效地实现发电过程。附图说明图1是根据本专利技术第一优选实施例的燃料电池系统的示意图。图2是图解图1的燃料电池系统的冷却控制方法的流程图。 图3是根据本专利技术第二优选实施例的燃料电池系统的示意图。 图4是图解图3的燃料电池系统的冷却控制方法的流程图。 图5示出了当图1和图3的燃料电池系统长时间运行时根据冷却水 的温度差图解阐述燃料电池组的性能变化的图形。 *表示附图中的基本元件的附图标记的说明* 100， 200:燃料电池系统110, 210:燃料电池组 120, 22G:燃料处理单元130, 230:氧气供给单元 140, 240:电压转换器 150， 250:冷却单元160, 161, 260， 261:控制器 具体实施例方式下面将参考附图更加全面地描述本专利技术，附图中示出了本专利技术优选 的实施例。本领域技术人员应当意识到，所描述的实施例可进行不同方 式的修改，所有的修改都不脱离本专利技术的精神和范围。图1是根据本专利技术第一优选实施例的燃料电池系统的示意图。如图1所示，本优选实施例的燃料电池系统100包括其中发生电化 学反应的燃料电池组110,重整发电材料并将氢提供给燃料电池组110 的燃料处理单元120,通过与压缩机或鼓风机合作将氧气提供给燃料电池 组110的氧气供给单元130，以及将燃料电池组IIQ产生的直流电转换为 交流电的电压转换器140。特别地，为了去除燃料电池组110的电极层和材料供给通道中的水分，本专利技术优选实施例的燃料电池系统100祐_设计为下述结构。该燃料电池系统100还包括利用冷却水吸收燃料电池组100中产生 的热量的冷却单元15 0,以及回收来自冷却单元15 0的冷却水中的废热的 热量回收单元151。冷却单元150包括水箱152、第一泵153、和第二泵154,它们都安 装在连接燃料电池组110的入口到热量回收单元151的入口管上。更详 细地，水箱152和第一泵153安装在燃料电池组110的入口和热交换器 155之间，该热交换器将在后面描述，且第二泵154安装在热交换器155 和热量回收单元151之间。这里，冷却单元150安装成使得其入口管和 出口管通过热交换器155,从而在冷却水之间实现热交换。如果热量由热 量回收单元151得以充分地回收，则冷却单元150还包括连接在冷却水 入口管和出口管之间的气冷式热交换器156。第一和第二控制器160和161控制冷却水入口和出口之间的温度差 △ T,从而该温度差AT随着时间变化变为脉冲波形。为了实现这一点， 第一控制器160控制第一泵153的运行，第二控制器161控制第二泵154 的运行。随后，第一和第二控制器160和161控制流入燃料电池组的冷 却水的流速。尽管在该实施例中第一和第二控制器160和161被分开安 装，但是本专利技术不限于这种情形。例如，可以仅提供一个控制器来控制 所有的组成元件。此外，第一和第二控制器160和161可设计为共享或 交换从多个传感器或多个组成元件传送的数据。温度传感器170和171分别安装在连接于燃料电池组110的冷却水本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种燃料电池系统，包括：　发生电化学反应的燃料电池组；　通过重整发电材料将氢气提供给燃料电池组的燃料处理单元；　将氧气提供给燃料电池组的氧气提供单元；　利用冷却水从燃料电池组吸收热量的冷却单元；　从冷却水中回收废热的热量回收单元；　随着时间变化检测燃料电池组的电源电压的电压检测器；以及　控制器，其用于响应时间变化改变冷却水的入口温度和出口温度之间的差值的同时，根据电压检测器检测的电压将流入燃料电池组的冷却水的温度保持在预定范围之内。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵莹穆，金淏硕，李尚容，洪炳善，辛美男，
申请(专利权)人：燃料电池能量公司，
类型：发明
国别省市：KR[韩国]