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燃料电池系统及其冷却控制方法

阅读：97发布：2021-02-28

IPRDB可以提供燃料电池系统及其冷却控制方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明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。，下面是燃料电池系统及其冷却控制方法专利的具体信息内容。

权利要求

1. 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。

2. 根据权利要求1的燃料电池系统，其中将冷却水从热量回收单元引导到燃料电池组的冷却水的入口管位于燃料电池组和热量回收单元之间；

将冷却水从燃料电池组引导到热量回收单元中的冷却水的出口管位于燃料电池组和热量回收单元之间；以及测量相应的冷却水的入口温度和出口温度的温度传感器分别安装在冷却水的入口管和出口管上。

3. 根据权利要求2的燃料电池系统，其中将冷却水的废热扩散到外部的气冷式热交换器位于冷却水的入口管和出口管之间。

4. 根据权利要求2的燃料电池系统，其中热量回收管连接在冷却水的入口管和出口管之间，使得冷却水在不通过热量回收单元的情况下从冷却水的出口管引导到冷却水的入口管中。

5. 根据权利要求4的燃料电池系统，其中第一开关阀安装在冷却水的入口管上以选择性地允许冷却水从热量回收单元中释放，第二开关阀安装在热量回收管上以选择性地允许冷却水流动。

6. 一种用于冷却燃料电池系统的燃料电池组的方法，其包括：根据时间变化测量从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；以及控制冷却水的温差，其中当测得的电压大于或等于预定值时正常地提供冷却水，且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。

7. 根据权利要求6的方法，其中保持内部温度包括：确定测得的电压随着时间变化的降低率是否在预定的范围之内；以及根据该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。

8. 根据权利要求7的方法，其中通过交替执行提高流速的过程以及减小流速的过程来执行冷却水的温差控制，提高流速从而允许冷却水的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的入口和出口温度之间的差值达到第二范围。

9. 根据权利要求8的方法，其中第一范围为3-4℃，和第二范围为8-10℃。

10. 根据权利要求8的方法，其中冷却水的入口温度和出口温度之间的差值被控制为随着时间变化呈脉冲波形。

11. 根据权利要求6的方法，其中保持内部温度包括：确定测得的电压的降低率随着时间变化是否在预定的范围之内；以及通过允许燃料电池组的出口冷却水进入到热交换器，或者不允许燃料电池组的出口冷却水进入到热交换器而是根据降低率确定的结果通过改变热回收路径直接将冷却水引导到燃料电池组，将燃料电池组的内部温度保持在预定值。

12. 根据权利要求11的方法，其中通过交替执行提高流速的过程以及减小流速的过程来执行冷却水的温差控制，提高流速从而允许冷却水的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的入口和出口温度之间的差值达到第二范围。

13. 根据权利要求12的方法，其中第一范围为3-4℃，和第二范围为8-10℃。

14. 根据权利要求12的方法，其中冷却水的入口温度和出口温度之间的差值被控制为随着时间变化呈脉冲波形。

说明书全文

燃料电池系统及其冷却控制方法

技术领域

[0001] 本发明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，本发明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。

背景技术

[0002] 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。

[0003] 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)发电材料以提供氢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。

[0004] 化学公式1

[0005] 阳极：H2(g)→2H++2e-

[0006] 阴极：1/2O2(g)+2H++2e-→H2O(l)

[0007] 电解反应：H2(g)+1/2O2(g)→H2O(l)

[0008] 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。

[0009] 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。

[0010] 该背景部分公开的上述信息只是为了增加对本发明背景的理解，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。

[0011] 公开

[0012] 技术问题

[0013] 本发明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)。本发明的实施例还提供了一种燃料电池系统的冷却控制方法。

发明内容

[0014] 在本发明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；根据时间变化检测燃料电池组中的电源电压的电压检测器；以及当根据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。

[0015] 在本发明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，以及根据该测得的电压将燃料电池组的内部温度保持在预定的值。该方法还包括，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。

[0016] 此外，保持内部温度可包括根据时间变化确定测得的电压的降低率是否在预定的范围之内，以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。

[0017] 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执行，增加流速从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。

[0018] 此外，保持内部温度可包括根据时间变化确定测得的电压的降低率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。

[0019] 有益效果

[0020] 在根据本发明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

[0021] 图1是根据本发明第一优选实施例的燃料电池系统的示意图。

[0022] 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。

[0023] 图3是根据本发明第二优选实施例的燃料电池系统的示意图。

[0024] 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。

[0025] 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。

[0026] *表示附图中的基本元件的附图标记的说明*

[0027] 100，200：燃料电池系统 110，210：燃料电池组

[0028] 120，220：燃料处理单元 130，230：氧气供给单元

[0029] 140，240：电压转换器 150，250：冷却单元

[0030] 160，161，260，261：控制器

具体实施方式

[0031] 下面将参考附图更加全面地描述本发明，附图中示出了本发明优选的实施例。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发明的精神和范围。

[0032] 图1是根据本发明第一优选实施例的燃料电池系统的示意图。

[0033] 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110产生的直流电转换为交流电的电压转换器140。

[0034] 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，本发明优选实施例的燃料电池系统100被设计为下述结构。

[0035] 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150，以及回收来自冷却单元150的冷却水中的废热的热量回收单元151。

[0036] 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。

[0037] 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ΔT，从而该温度差ΔT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，但是本发明不限于这种情形。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。

[0038] 温度传感器170和171分别安装在连接于燃料电池组110的冷却水入口管和出口管上以测量冷却水入口管和出口管的温度。冷却水入口和出口温度的数据传送给第一控制器160。如果必要，在该优选的实施例中，温度传感器172还可安装在冷却水的入口管上以测量热交换器155释放的冷却水的温度。温度传感器172测得的温度数据传送给第二控制器161。提供压力传感器173以测量冷却水出口管中的压力且将该测得的压力数据传送到第一控制器160。

[0039] 电压检测器180根据时间变换测量燃料电池组110中产生的电源电压并将该测得的数据传送到第一控制器160。

[0040] 下面将参考图2描述燃料电池系统100的冷却控制方法。

[0041] 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。

[0042] 参考图1和图2描述根据本发明的优选实施例的燃料电池系统的冷却控制方法。

[0043] 在第一优选实施例中，当开始产生电功率时，电压检测器180连续地测量电源电压，且第一控制器160确定测得的电压根据时间变化的降低率ΔV根据输入数据是否在一预定的范围之内。根据第一控制器160确定的结果，第二控制器161运行冷却单元150的第二泵154以调节冷却水的流速，从而均匀地保持燃料电池组110的内部温度。

[0044] 接下来，在燃料电池组110的内部温度均匀保持的状态下，确定该燃料电池组110的电源电压是否大于或等于预定值。

[0045] 当电源电压大于或等于该预定值时，冷却水的当前流速得以正常地保持。当电源电压小于该预定值时，第一控制器160运行第一泵153以调整冷却水的流速，从而改变了燃料电池组110的冷却度。即，执行了冷却水的温度差的控制过程。例如，在温度差的控制过程中，执行增加冷却水的流速的过程使得冷却水的入口温度和出口温度之间的差值ΔT保持在3-4℃这个相对窄的范围之内。此外，在温度差的控制过程中，还执行降低冷却水的流速的过程使得冷却水的入口温度和出口温度之间的温度差ΔT保持在8-10℃这个相对较宽的范围之内。增加和降低冷却水的流速的过程按预定的周期(2-5次)交替地执行。然后，冷却水的入口温度和出口温度之间的差值ΔT的图形变为脉冲波形。

[0046] 然而，当随着时间变化连续测得的电源电压的降低率ΔV在预定的范围之内时，或者当执行前面的冷却控制之后已经过了几个小时(例如8小时)时，可以执行燃料电池系统100的上述冷却控制方法。

[0047] 下面将描述根据本发明的第二实施例的燃料电池系统。

[0048] 图3是根据本发明第二优选实施例的燃料电池系统的示意图。

[0049] 本优选实施例的燃料电池系统200基本上类似于图1的燃料电池系统100。因此，这里省略相同组成元件的描述且仅描述不同的组成元件。

[0050] 在第二优选实施例中，省略了图1中描述的气冷式热交换器156。相反，在燃料电池系统200中，热量回收管257连接于冷却水入口管和出口管之间，使得沿着冷却水出口管流动的冷却水在不通过热回收单元251的情况下直接进入冷却水入口管。此外，第一开关阀258安装在冷却水入口管上以选择性地允许冷却水从热量回收单元251流动。第二开关阀259安装在热量回收管257上以选择性地允许冷却水的流动。然后，当控制冷却水不通过热回收单元251时，第一开关阀258关闭且第二开关阀259打开。另一方面，当控制冷却水以使得冷却水的废热被回收时，第一开关阀258打开同时第二开关阀259关闭。即该优选实施例的燃料电池系统200被构建成使得按照需要通过选择性地打开/关闭第一和第二开关阀258和259来回收冷却水的废热。

[0051] 下面将参考图3和图4描述燃料电池系统200的冷却控制方法。

[0052] 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。

[0053] 优选当运行时燃料电池组210将其内部温度保持在一预定的范围之内。然而，当燃料电池组210运行一长段时间时，由于湿度的变化或其它外部环境的变化很难保持其内部的水平衡。因此，在燃料电池组210的催化层和气体扩散层中产生冷凝水，这将导致水阻塞现象，从而降低燃料电池系统的电源电压。

[0054] 为了解决这一问题，第二优选实施例的燃料电池系统的冷却控制方法将依据下述步骤得以执行。

[0055] 在第二优选实施例中，当开始产生电功率时，电压检测器280连续地测量电源电压，且第一控制器260确定随着时间变化所测得的电压的降低率ΔV是否在一预定范围之内。

[0056] 接下来，确定燃料电池组210的冷却水入口温度和出口温度之间的差值ΔT是否在3-4℃的预定温度范围之内。当该差值ΔT不在预定的温度范围之内时，则测量冷却水入口的温度以及从热回收单元251引入的冷却水的温度。当冷却水出口的温度大于或等于预定值时，第二控制器261控制第一和第二开关阀258和259，使得冷却水能通过热量回收单元251，从而降低了燃料电池组210的温度。在上述之后，当温度差值ΔT达到该预定值时，第二控制器261控制第一和第二开关阀258和259，使得冷却水进入到热量回收管257。通过上述过程，燃料电池组210的内部温度能保持在一预定值。

[0057] 如上所述，在该燃料电池系统200中，可以检测到由于水阻塞现象引起电源电压的降低率ΔV随着时间的变化在预定的范围之内。然后，在第二优选的实施例中，第二控制器261停止运行第二泵254以增加燃料电池组210的内部温度，从而除去催化层和气体扩散层中冷凝的水分。接下来，当冷却水的出口温度保持在该预定值时，第二控制器261再次运行第二泵254，使得温差ΔT可以保持在8-10℃的范围之内。

[0058] 此外，确定电压检测器280检测的燃料电池组210的电源电压是否大于或等于预定值。

[0059] 当电源电压大于或等于该预定值时，冷却水的当前流速得以正常地维持。当电源电压小于该预定值时，第一控制器260运行第一泵153以调节冷却水的流速，从而改变燃料电池组210的冷却度。即，执行冷却水的温差控制过程。例如，在该温差控制过程中，执行提高冷却水的流速的过程以使得冷却水的入口温度和出口温度之间的差值ΔT保持在3-4℃这一相对较窄的范围之内。此外，在该温差的控制过程中，还执行降低冷却水的流速，以使得冷却水的入口温度和出口温度之间的差值ΔT保持在8-10℃这一相对较宽的范围之内。在一个预定周期交替执行增加和降低冷却水的流速的过程(2-5次)。然后，冷却水的入口温度和出口温度之间的差值ΔT的图形变为脉冲波形。

[0060] 当图1和图3的燃料电池系统长时间运行时，图5示出了图解随着冷却水的温度变化燃料电池组的性能变化的图形。

[0061] 图5的图形示出了当燃料电池系统长时间运行时，燃料电池组的电压k、冷却水的入口温度1和冷却水的出口温度j之间的关系。如图中所示，当冷却水的入口和出口温度增加时，燃料电池组的电压趋于增加。这一点根据下述等式1可以理解。

[0062] [等式1]

[0063]

[0064]

[0065] 其中，G是Gibb的自由能，R是摩尔气体常数，P是局部压力，n是每个分子的电子数目，F是阿伏加德罗常数，T是温度，E是伏特表测得的电势。

[0066] 根据图5的图形所示，可以注意到燃料电池组的电压保持增加直到冷却水的入口温度和出口温度增加到点c。这一点从等式1中可以理解，其中电压与温度成正比。此外，反应材料的反应速度取决于温度，且由此反应材料有效地起作用于电极的表面，从而增加了燃料电池组的电压。此外，当冷却水的温度增加到点c之后如果还正常地执行热交换，则冷却水的温度急剧地降低。然后，当冷却水的入口温度和出口温度之间的差值处于8-10℃的温度范围之内时燃料电池组的电压达到最大值。因为催化层的小孔隙和供给通道中的水分由于饱和汽压的增加而被除去，因此可以实现燃料电池组的电压增加直到温差在该温度范围之内变化，从而可以获得阴极和阳极的金属催化剂的反应点。因此，由于在温度降低的部分中蒸汽压再次降低，因而有效地实现了气体供给，因此燃料电池组的电压能够增加。

[0067] 尽管已经连同目前被认为实际上的优选实施例一起描述了本发明，但是可以理解本发明不限于已经公开的实施例，但是，相反，本发明旨在覆盖包括在所附的权利要求的精神和范围之内的不同的修改以及等价的设置。

标题	发布/更新时间	阅读量
燃料电池-专利编号CN101485020B	2020-05-11	279
工业燃料-专利编号CN1090595A	2020-05-12	252
高效燃料-专利编号CN102311816B	2020-05-11	90
燃料电池-专利编号CN103081197A	2020-05-12	193
燃料添加剂-专利编号CN1297636C	2020-05-13	104
燃料添加剂-专利编号CN1368539A	2020-05-13	435
燃料电池-专利编号CN101485020A	2020-05-12	660
燃料电池-专利编号CN107565154A8	2020-05-11	113
燃料电池-专利编号CN107565154A	2020-05-11	1011
燃料电池-专利编号CN207459078U	2020-05-13	847

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