燃料电池电压控制制造技术

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）。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】燃料电池电压控制
本专利技术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。
技术介绍
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本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】US 2003-10-7 10/681,4931.一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...

【专利技术属性】
技术研发人员：T斯基巴，DD杰恩，PA格鲁布，R格罗弗，TM雷默斯，W小塞拉切克，
申请(专利权)人：UTC电力公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]