[發明專利]用于控制燃料電池堆的裝置和方法

在審

• 申請號: 201610726521.4
• 申請日: 2016-08-25
• 公開（公告）號: CN107305954A
• 公開（公告）日: 2017-10-31
• 發明（設計）人: 全義植
• 申請（專利權）人: 現代自動車株式會社
• 主分類號: H01M8/04291
• 分類號: H01M8/04291;H01M8/04492;H01M8/0432;H01M8/04701;H01M8/04746
• 代理公司: 北京戈程知識產權代理有限公司11314
• 代理人: 程偉,王錦陽

相關申請的交叉引用

本申請基于2016年4月19日向韓國知識產權局提交的韓國專利申請第10-2016-0047685號并要求其優先權權益，該申請的全部內容通過引用結合于此。

技術領域

本申請涉及用于控制燃料電池堆的裝置和方法，更具體而言，本申請涉及這樣一種技術：其通過基于映射來確定燃料電池堆的狀態(例如，干燥或滿溢(flooding))，并且根據所確定的燃料電池堆的狀態來控制氣流量和冷卻劑溫度，從而優化燃料電池堆的工作效率，在所述映射記錄了對應于燃料電池堆的蒸汽壓力及燃料電池堆的冷卻劑溫度的目標相對濕度。

背景技術

燃料電池是一種通過利用燃料電池堆中的電化學反應而將來自燃料的化學能轉換為電能(而不是通過燃燒將來自燃料的化學能轉換為熱量)從而能夠產生電力的設備。燃料電池不只可以為工業、家庭和車輛提供能源，還可以應用于向小型電動/電子產品(尤其是便攜式設備)提供電力。

目前，質子交換膜燃料電池(PEMFC)作為用于驅動車輛的動力源而受到廣泛的研究，該質子交換膜燃料電池(PEMFC)又稱作高分子電解質膜燃料電池，其具有燃料電池中最高的功率密度。由于低工作溫度，PEMFC具有較快的起動時間和較快的電力轉換響應時間。

這種PEMFC包括：膜電極組件(MEA)，其具有催化劑電極層(該催化劑電極層處發生電化學反應)，所述催化劑電極層附接至固體高分子電解質膜的兩側，氫離子通過所述固體高分子電解質膜而移動；氣體擴散層(gas diffusion layer，GDL)，其用于均勻地分配反應氣體，并且輸送所產生的電能；墊圈和聯接件，其用于保持反應氣體和冷卻劑的氣密性，并且用于保持合適的夾緊壓力(clamping pressure)；以及雙極板，其使反應氣體和冷卻劑可以穿透其而進行移動。

當組裝這種單元電池以形成燃料電池堆時，將主要部件(MEA和GDL)的結合設置于電池的最內部。MEA包括催化劑電極層，即，帶有涂覆于高分子電解質膜的兩個表面的催化劑的陽極和陰極，從而使氫氣和氧氣能夠相互反應。GDL、墊圈等在電池的外部堆疊在陽極和陰極。

雙極板具有形成于其中的各自的流場，所述雙極板位于GDL外部，所述流場供應反應氣體(作為燃料的氫氣和作為氧化劑的氧氣或空氣)，并且使冷卻劑可以從其中穿過。

在將多個具有上述結構的單元電池進行堆疊后，集電器、絕緣板和用于支撐堆疊的電池的端板在堆的最外部結合。單元電池在端板之間重復地進行堆疊和組裝，從而形成燃料電池堆。

為了獲得車輛中所需的電勢，需要將對應于電勢能所需量的數量的單元電池進行堆疊，而被堆疊的單元電池稱作堆。例如，由單個單元電池產生的電勢為大約1.3V，而為了產生用于驅動車輛所需的動力，可以將多個電池進行串聯堆疊。

這種燃料電池堆在干燥的或滿溢的狀態下無法提供最佳的工作效率。

常規來講，當燃料電池堆的出口濕度(其是基于堆的濕度估算模型而估算得到的)在預定的時間段中維持為低于或等于參考值時，強制驅動散熱器風扇和冷卻泵以減小堆的冷卻劑溫度。當出口濕度增大并且在預定的時間中維持為超過參考值時，停止散熱器風扇和冷卻泵的驅動。

根據現有技術，當堆的出口濕度在預定的時間中維持為低于或等于參考值時，或者在預定的時間中維持為超過參考值時，調整堆的冷卻劑溫度。由此，冷卻劑溫差(工作溫度差)增大，這會因為熱沖擊而導致耐久性下降。

另外，為了覆蓋較大的冷卻劑溫差，散熱器風扇和冷卻泵的工作時間增加，這會導致電力消耗增加。

發明內容

本申請致力于解決在現有技術中發生的上述問題，同時完整地保留現有技術中實現的優點。

本申請的一方面提供用于控制燃料電池堆的裝置和方法，其可以基于映射(在所述映射中記錄了對應于燃料電池堆的蒸汽壓力以及其冷卻劑溫度的目標相對濕度)來確定燃料電池堆的狀態(干燥或滿溢)，并且根據所確定的燃料電池堆的狀態來控制氣流量和冷卻劑溫度，從而優化燃料電池堆的工作效率。

本申請的目標并不限于前述目標，且根據下述說明，任何在此未提及的其它目標和優點將會得到清楚地理解。根據本申請的示例性實施方案，本發明構思將得到更清楚的理解。另外，這將是明顯的：本申請的目標和優點能夠通過權利要求書所要求的要素及其結合而實現。