[發明專利]用于燃料電池系統的陰極入口氣流的熱控制

有效

• 申請號: 200710199136.X
• 申請日: 2007-12-06
• 公開（公告）號: CN101197451A
• 公開（公告）日: 2008-06-11
• 發明（設計）人: J·R·科洛茲;S·E·勒納;P·C·梅農;S·D·伯奇
• 申請（專利權）人: 通用汽車環球科技運作公司
• 主分類號: H01M8/04
• 分類號: H01M8/04
• 代理公司: 中國專利代理(香港)有限公司
• 代理人: 曾祥夌;劉華聯

技術領域

本發明涉及一種燃料電池系統的操作方法。更詳細地講，本發明涉及一種用于氫燃料電池中陰極入口氣流熱控制的方法和設備。

背景技術

在最現代的燃料電池系統中，壓縮機將壓縮空氣提供給燃料電池組，并且水蒸汽傳遞單元在壓縮空氣進入燃料電池組之前使其潮濕。以燃料電池操作所需的空氣質量流量(mass?flow?rate)脫離壓縮機的氣流的溫度通常超過水蒸汽傳遞單元所希望的熱界限。

控制系統通常使用熱交換器以保持脫離壓縮機的氣流溫度低于水蒸汽傳遞單元的熱界限。

在這種燃料電池系統中，流到熱交換器中的冷卻劑不能停止。存在可能希望加熱進入陰極的氣流的情況，例如在啟動燃料電池時，但是進入熱交換器的冷卻劑溫度較低并且冷卻空氣。因此，不必要地延長了達到所希望的操作溫度所需的時間。此外，這種燃料電池系統不能保持對進入水蒸汽傳遞單元的氣流的有效控制，并且不能夠保持所希望的溫度。這妨礙了水蒸汽傳遞單元以最適宜的水平運行。

希望研制一種用于精確控制進入水蒸汽傳遞單元的氣流溫度的方法和設備，其可保持所希望的溫度并且減少氣流達到所希望的操作溫度所需的時間。

發明內容

根據本發明已經令人驚訝地被發現一種用于控制進入燃料電池系統中水蒸汽傳遞單元的氣流溫度的方法和設備。這種方法將進入水蒸汽傳遞單元的氣流保持在所希望的溫度，并且減少氣流達到最適宜的操作溫度所需的時間。

在一個實施例中，該用于燃料電池系統中氣流熱控制的方法包括步驟：提供流體地(fluidly)連接到熱交換器上的系統冷卻劑回路，熱交換器流體地連接到燃料電池組上，并且系統冷卻劑回路包含第一流體；在燃料電池系統中預定的點處確定實際的氣流溫度；在預定的點處確定所希望的氣流溫度；以及控制第一流體的至少一部分從系統冷卻劑回路到熱交換器的流動作為在預定的點處的實際的氣流溫度和所希望的氣流溫度的函數以獲得所希望的溫度。

在另一個實施例中，該用于燃料電池系統中氣流熱控制的方法包括步驟：提供燃料電池組、第一流體、系統冷卻劑回路、熱交換器、至少一個水蒸汽傳遞單元、第一閥、第二閥以及輔助冷卻熱交換器；在水蒸汽傳遞單元的入口處確定實際的氣流溫度；確定所希望的氣流溫度作為溫度的函數，在所希望的氣流溫度下水蒸汽傳遞單元以最高的效率操作；以及用第一閥和第二閥控制第一流體的至少一部分從系統冷卻劑回路到熱交換器的流動以獲得所希望的溫度，其中第一閥在開啟時將一部分第一流體從系統冷卻劑回路引入熱交換器中，而第二閥在開啟時將冷卻劑從系統冷卻劑回路在冷卻劑進入熱交換之前引入輔助冷卻熱交換器中。

在另一個實施例中，用于燃料電池系統中氣流熱控制的設備包括：經由第一管道流體地連接到燃料電池組陰極側上的空氣壓縮機、設置在空氣壓縮機和燃料電池組陰極側之間的第一管道中的熱交換器、設置在熱交換器和燃料電池組陰極側之間的第一管道中的至少一個水蒸汽傳遞單元、設置在熱交換器和水蒸汽傳遞單元之間的管道中的溫度傳感器、經由第二管道流體地連接到熱交換器上并且經由第三管道流體地連接到系統冷卻劑回路上的閥陣列、經由第四管道流體地連接到閥陣列上并且經由第二管道流體地連接到熱交換器上的輔助冷卻熱交換器、經由第一線路與閥陣列電連通并且經由第二線路與溫度傳感器電連通的控制系統，其中控制系統響應從溫度傳感器接收的電信號并且選擇性地影響閥陣列以將第一流體從系統冷卻劑回路引入熱交換器和輔助冷卻熱交換器中的至少一個中以獲得離開管道并進入水蒸汽傳遞單元的空氣的所希望的溫度。

附圖說明

通過下列優選實施例的詳細描述同時參照附圖，本發明的上述以及其它優點對本領域技術人員來說將變得顯而易見，其中：

圖1是根據本發明的實施例的燃料電池系統的示意圖；

圖2是顯示閥命令(valve?command)作為用于圖1所示燃料電池系統的總的工作循環(duty?cycle)百分比的曲線的曲線圖；

圖3是顯示圖1中所示燃料電池系統所希望的陰極空氣設定值與實際的溫度控制攝氏度對時間相比較的曲線的曲線圖；以及

圖4是水蒸汽傳遞單元的不完全透視圖并且根據圖1中所示本發明的實施例示意性地顯示了關聯的部件。

具體實施方式

下列詳細描述以及附圖描述和顯示了本發明各種示例性的實施例。該描述和附圖用以使本領域技術人員能夠制造和使用本發明，而并非意在以任何方式限制本發明的范圍。關于所公開的方法，所展示的步驟實際上是示例性的，并且因而該步驟的順序不是必需或緊要的。