用于燃料电池系统的阴极入口气流的热控制技术方案

一种用于燃料电池系统中气流热控制的方法和设备，其能够精确地控制进入水蒸汽传递单元的气流温度，保持所希望的温度设定值，并且减少气流达到最适宜的操作温度所需的时间。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种燃料电池系统的操作方法。更详细地讲，本专利技术涉及一种用于氢燃料电池中阴极入口气流热控制的方法和设备。
技术介绍
在最现代的燃料电池系统中，压缩机将压缩空气提供给燃料电池组，并且水蒸汽传递单元在压缩空气进入燃料电池组之前使其潮湿。以燃料电池操作所需的空气质量流量(mass flow rate)脱离压缩机的气流的温度通常超过水蒸汽传递单元所希望的热界限。控制系统通常使用热交换器以保持脱离压缩机的气流温度低于水蒸汽传递单元的热界限。在这种燃料电池系统中，流到热交换器中的冷却剂不能停止。存在可能希望加热进入阴极的气流的情况，例如在启动燃料电池时，但是进入热交换器的冷却剂温度较低并且冷却空气。因此，不必要地延长了达到所希望的操作温度所需的时间。此外，这种燃料电池系统不能保持对进入水蒸汽传递单元的气流的有效控制，并且不能够保持所希望的温度。这妨碍了水蒸汽传递单元以最适宜的水平运行。希望研制一种用于精确控制进入水蒸汽传递单元的气流温度的方法和设备，其可保持所希望的温度并且减少气流达到所希望的操作温度所需的时间。
技术实现思路
根据本专利技术已经令人惊讶地被发现一种用于控制进入燃料电池系统中水蒸汽传递单元的气流温度的方法和设备。这种方法将进入-->水蒸汽传递单元的气流保持在所希望的温度，并且减少气流达到最适宜的操作温度所需的时间。在一个实施例中，该用于燃料电池系统中气流热控制的方法包括步骤：提供流体地(fluidly)连接到热交换器上的系统冷却剂回路，热交换器流体地连接到燃料电池组上，并且系统冷却剂回路包含第一流体；在燃料电池系统中预定的点处确定实际的气流温度；在预定的点处确定所希望的气流温度；以及控制第一流体的至少一部分从系统冷却剂回路到热交换器的流动作为在预定的点处的实际的气流温度和所希望的气流温度的函数以获得所希望的温度。在另一个实施例中，该用于燃料电池系统中气流热控制的方法包括步骤：提供燃料电池组、第一流体、系统冷却剂回路、热交换器、至少一个水蒸汽传递单元、第一阀、第二阀以及辅助冷却热交换器；在水蒸汽传递单元的入口处确定实际的气流温度；确定所希望的气流温度作为温度的函数，在所希望的气流温度下水蒸汽传递单元以最高的效率操作；以及用第一阀和第二阀控制第一流体的至少一部分从系统冷却剂回路到热交换器的流动以获得所希望的温度，其中第一阀在开启时将一部分第一流体从系统冷却剂回路引入热交换器中，而第二阀在开启时将冷却剂从系统冷却剂回路在冷却剂进入热交换之前引入辅助冷却热交换器中。在另一个实施例中，用于燃料电池系统中气流热控制的设备包括：经由第一管道流体地连接到燃料电池组阴极侧上的空气压缩机、设置在空气压缩机和燃料电池组阴极侧之间的第一管道中的热交换器、设置在热交换器和燃料电池组阴极侧之间的第一管道中的至少一个水蒸汽传递单元、设置在热交换器和水蒸汽传递单元之间的管道中的温度传感器、经由第二管道流体地连接到热交换器上并且经由第三管道流体地连接到系统冷却剂回路上的阀阵列、经由第四管道流体地连接到阀阵列上并且经由第二管道流体地连接到热交换器上的辅助冷却热交换器、经由第一线路与阀阵列电连通并且经由第-->二线路与温度传感器电连通的控制系统，其中控制系统响应从温度传感器接收的电信号并且选择性地影响阀阵列以将第一流体从系统冷却剂回路引入热交换器和辅助冷却热交换器中的至少一个中以获得离开管道并进入水蒸汽传递单元的空气的所希望的温度。附图说明通过下列优选实施例的详细描述同时参照附图，本专利技术的上述以及其它优点对本领域技术人员来说将变得显而易见，其中：图1是根据本专利技术的实施例的燃料电池系统的示意图；图2是显示阀命令(valve command)作为用于图1所示燃料电池系统的总的工作循环(duty cycle)百分比的曲线的曲线图；图3是显示图1中所示燃料电池系统所希望的阴极空气设定值与实际的温度控制摄氏度对时间相比较的曲线的曲线图；以及图4是水蒸汽传递单元的不完全透视图并且根据图1中所示本专利技术的实施例示意性地显示了关联的部件。具体实施方式下列详细描述以及附图描述和显示了本专利技术各种示例性的实施例。该描述和附图用以使本领域技术人员能够制造和使用本专利技术，而并非意在以任何方式限制本专利技术的范围。关于所公开的方法，所展示的步骤实际上是示例性的，并且因而该步骤的顺序不是必需或紧要的。现在参照图1，显示了带有关联部件的燃料电池系统的基本布置；在实践中可能存在许多变型。图示燃料电池组10集成到燃料电池系统中并且包括多个如图所示串联电连接的单独的燃料电池。应当进一步理解的是，单独的燃料电池可以并联电连接而不脱离本专利技术的范围。燃料电池组10所有单独的燃料电池的阳极侧以本领域公知的方式连接在一起，对于合成的阳极侧组用参考标号12标明。以-->相似的方式，将燃料电池组10燃料电池的阴极侧以本领域公知的方式连接在一起，对于合成的阴极侧组用参考标号14标明。各种类型燃料电池系统的操作在本领域中是公知的；在共同拥有的专利6,849,352中可以找到一个实施例，该专利通过引用整体地结合于本文中。因此，仅燃料电池系统的操作作为和本专利技术有关的内容将在描述中说明。在这里描述的示例性的实施例中，燃料电池系统包括控制系统16。控制系统16经由线路(connection)18电连接到电动机20上。线路18可为电连通的任何常规方式。电动机20与压缩机22结合。压缩机22经由空气供应管道26与燃料电池组10的阴极入口24流体连通。管道26可为提供密封通道的任何常规管道。增湿器(humidifier)28设置在压缩机22和阴极入口24之间的管道26中。增湿器28包括至少一个水蒸汽传递单元23和入口温度传感器25。入口温度传感器25经由线路27与控制系统16电连通。水蒸汽传递单元23与阴极排放(cathode exhaust)15以及系统排放(systemexhaust)流体连通，如图4中所示。热交换器30设置在压缩机22和增湿器28之间的管道26中。热交换器30经由管道32与阀阵列35流体连通。阀阵列35包括旁通阀36和冷却阀38。旁通阀36经由管道40与燃料电池系统冷却剂回路58以及冷却阀38流体连通。排放管道31将热交换器30和燃料电池系统冷却剂回路58流体地连接。控制系统16经由线路56与旁通阀36电连通，并且经由线路54与冷却阀38电连通。冷却阀38经由管道50与辅助冷却热交换器51流体连通。辅助冷却热交换器51经由管道52与热交换器30流体连通。辅助冷却热交换器51可为任何适当大小的冷却热交换器，例如轮罩散热器(wheelhouse radiator)。在操作中，空气经由管道42供应给压缩机22。压缩机22由电-->动机20驱动。由压缩机22压缩的空气经由管道26经过热交换器30和增湿器28供应给燃料电池组10的阴极入口24。脱离压缩机22的压缩空气的温度通常高于便于水蒸汽传递单元23有效操作的所希望的温度。以燃料电池操作正常必需的流量离开压缩机22的空气通常大约为120摄氏度。水蒸汽传递单元23在所示的实施例中可接受的热界限是约90摄氏度。热交换器30以本领域公知的方式影响行进经过热交换器30的空气温度。冷却剂(未显示)经由管道32进入热交换器30。循环经过热交换本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于燃料电池系统中气流热控制的方法，所述方法包括步骤：（ａ）．提供流体地连接到热交换器上的系统冷却剂回路，所述热交换器流体地连接到燃料电池组上以提供所述气流，并且所述系统冷却剂回路包含流体；（ｂ）．确定在所述燃料电池系统中预定的点处的所述气流实际的温度；（ｃ）．确定在所述预定的点处的所述气流所希望的温度；以及（ｄ）．控制所述流体的至少一部分从系统冷却剂回路到所述热交换器的流动，使所述流动作为在所述预定的点处的所述气流实际的温度和所述气流所希望的温度的函数，以便获得所述所希望的温度。

【技术特征摘要】
US 2006-12-6 11/6345641.一种用于燃料电池系统中气流热控制的方法，所述方法包括步骤：(a).提供流体地连接到热交换器上的系统冷却剂回路，所述热交换器流体地连接到燃料电池组上以提供所述气流，并且所述系统冷却剂回路包含流体；(b).确定在所述燃料电池系统中预定的点处的所述气流实际的温度；(c).确定在所述预定的点处的所述气流所希望的温度；以及(d).控制所述流体的至少一部分从系统冷却剂回路到所述热交换器的流动，使所述流动作为在所述预定的点处的所述气流实际的温度和所述气流所希望的温度的函数，以便获得所述所希望的温度。2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法包括在所述预定的点处用连接到所述气流路径中的温度传感器来执行所述步骤(b)。3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述流体是冷却剂。4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述预定的点是增湿单元的入口。5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述增湿单元包括至少一个水蒸汽传递单元。6.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述方法包括通过确定所述所希望的温度作为温度的函数来执行所述步骤(c)，所述至少一个水蒸汽传递单元在所希望的温度下以最高效率操作。7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法包括用阀阵列来执行所述步骤(d)，以便控制所述流体的至少一部分从所述系统冷却剂回路到所述热交换器的流动。8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述阀阵列包括第-->一分立阀和第二分立阀。9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述第一分立阀是旁通阀，并且所述旁通阀在开启状态将所述流体的至少一部分引出所述系统冷却剂回路并且引入所述热交换器。10.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述第二分立阀是冷却阀，并且所述冷却阀在开启状态将所述流体的至少一部分引出所述系统冷却剂回路并且在其进入所述热交换器之前将之引入辅助冷却热交换器。11.如权利要求10所述的方法，其特征在于，所述辅助冷却热交换器是轮罩散热器。12.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述方法包括通过用阀命令方法极限控制所述第一分立阀和所述第二分立阀来执行步骤(d)。13.如权利要求12所述的方法，其特征在于，所述阀命令方法极限利用比例-积分-微分控制器来执行。14.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述方法包括通过用...

【专利技术属性】
技术研发人员：JR科洛兹，SE勒纳，PC梅农，SD伯奇，
申请(专利权)人：通用汽车环球科技运作公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]