系統(tǒng)水平衡的制作方法
【專利摘要】示例性系統(tǒng)水平衡方法包括從系統(tǒng)排出水蒸汽以及響應(yīng)于該系統(tǒng)可用的水量來改變該排出。
【專利說明】系統(tǒng)水平衡
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本公開大體涉及水平衡，并且更具體地涉及維持燃料電池系統(tǒng)內(nèi)的水平衡。
現(xiàn)有技術(shù)
[0002]燃料電池系統(tǒng)是公知的。一種示例性燃料電池系統(tǒng)包括設(shè)置成電池堆的多個單獨燃料電池。每個單獨燃料電池具有被置于質(zhì)子交換膜的任一側(cè)上的陽極和陰極。例如氫的燃料被供應(yīng)到質(zhì)子交換膜的陽極側(cè)。例如空氣的氧化劑被供應(yīng)到質(zhì)子交換膜的陰極側(cè)。各個燃料電池在操作期間產(chǎn)生水。
[0003]一些燃料電池系統(tǒng)使得液體水移動通過燃料電池組件，以便除去熱能并水合燃料電池。液體水的供應(yīng)源可能是有限的，尤其是在便攜燃料電池系統(tǒng)的情況下。如果燃料電池接收到不足量的液體水或者排出過多水蒸汽，則燃料電池會過熱或者由于干涸而失效。平衡燃料電池系統(tǒng)內(nèi)的水避免了過熱和干涸，并且有助于燃料電池系統(tǒng)高效地操作。除燃料電池系統(tǒng)以外的系統(tǒng)也可能需要水平衡。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]示例性系統(tǒng)水平衡方法包括:從系統(tǒng)排出水蒸汽，并且響應(yīng)于該系統(tǒng)可用的水量來改變該排出。
[0005]示例性燃料電池水平衡方法包括:探測燃料電池組件可用的水量并且響應(yīng)于該探測來限制從燃料電池排出的水蒸汽。
[0006]示例性燃料電池組件包括燃料電池和控制器。燃料電池從供應(yīng)源接收水?？刂破黜憫?yīng)于供應(yīng)源內(nèi)的水量選擇性地改變從燃料電池傳送的水蒸汽的量。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0007]本領(lǐng)域的技術(shù)人員從下述具體描述中將顯而易見到公開示例的各種特征和優(yōu)點。伴隨詳細(xì)說明的附圖能夠被簡要描述如下:
圖1示出了示例性燃料電池系統(tǒng)的高度示意性的視圖。
[0008]圖2示出了另一示例性燃料電池系統(tǒng)的更具體視圖。
[0009]圖3示出了用于維持圖2系統(tǒng)的燃料電池內(nèi)的水平衡的通用方法。
[0010]圖4示出了用于維持圖2系統(tǒng)的燃料電池內(nèi)的水平衡的更具體方法。
【具體實施方式】
[0011]參考圖1，示例性燃料電池系統(tǒng)10包括燃料電池12和水的供應(yīng)源14。燃料電池12從供應(yīng)源14接收水。水沿路徑16被傳送到燃料電池12。水運動通過燃料電池12以便水合和除去熱能。在運動通過燃料電池12之后，水中的至少一些在排出口 18處作為水蒸汽從燃料電池12排出。運動通過排出口 18的水蒸汽運動到環(huán)境從而離開燃料電池系統(tǒng)10。剩余的水作為液體水沿路徑20運動回到供應(yīng)源14。在一些示例中，尚未通過排出口 18離開燃料電池系統(tǒng)10的水蒸汽可以凝結(jié)并添加到供應(yīng)源14。
[0012]在這種示例中，控制器22改變通過排出口 18從燃料電池系統(tǒng)44排出的水蒸汽的量。示例性控制器22基于供應(yīng)源14內(nèi)的水的可用性來改變離開燃料電池12的水蒸汽?？刂破?2可以調(diào)節(jié)進入燃料電池12的空氣的壓力或者空氣流率，以便改變通過排出口 18離開燃料電池12的水蒸汽的量。
[0013]調(diào)節(jié)進入燃料電池12的空氣的壓力(例如增加所述壓力)是控制器22可以怎樣改變通過排出口 18離開燃料電池12的水蒸汽的量的示例。因為空氣含有氧，所以在這種示例中空氣被看作是反應(yīng)物。
[0014]在另一示例中，控制器22通過調(diào)節(jié)進入燃料電池12的另一反應(yīng)物的壓力(例如通過增加進入燃料電池12的重整物的壓力)來改變水的排出。重整物含有氫。
[0015]現(xiàn)在參考圖2且繼續(xù)參考圖1，另一示例性燃料電池系統(tǒng)40包括具有陽極48和陰極52的燃料電池44。質(zhì)子交換膜56將陽極48與陰極52分離。燃料電池44是燃料電池堆內(nèi)的多個燃料電池中的一個。
[0016]燃料源60供應(yīng)例如氫的燃料到燃料電池44的陽極48。在燃料排出口 64處從燃料電池44排出燃料中的一些。一些水蒸汽可以通過燃料排出口 64隨燃料排出。
[0017]被排出燃料的一部分可以再循環(huán)回到陽極48內(nèi)。再循環(huán)燃料由于提高燃料效率因而是有益的。再循環(huán)燃料中的一些也可以有助于維持水平衡，這是因為與燃料沒有再循環(huán)相比，燃料排氣損失更少的水蒸汽。
[0018]氧化劑源68供應(yīng)例如空氣的氧化劑到燃料電池44的陰極52。在空氣排出口 72處從燃料電池44排出空氣中的一些。
[0019]氫-空氣PEM燃料電池系統(tǒng)(例如，圖2所示的系統(tǒng)40)產(chǎn)生水作為副產(chǎn)品。一些水作為水蒸汽從燃料電池44排出，所述水蒸汽由通過空氣排出口 72從燃料電池排出的空氣帶走。燃料電池44內(nèi)的化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生了由被排出空氣攜帶的水蒸汽。
[0020]燃料電池44內(nèi)的化學(xué)反應(yīng)除水蒸汽外還產(chǎn)生液體水。在這種示例中，液體水沿路徑80運動到蓄積器水箱76。沿路徑80運動的液體水可以經(jīng)過液體-液體熱交換器，所述液體-液體熱交換器將熱量傳送到車輛散熱器流體。
[0021 ] 空氣也可以沿著路徑80運動?？諝饪梢越?jīng)過凝結(jié)器&分離器，其凝結(jié)來自空氣的水蒸汽。之后凝結(jié)的水被添加到蓄積器水箱76。之后，空氣的其余部分(其仍然包括一些水蒸汽)被排出到環(huán)境。如果僅存在液體-液體熱交換器(并且沒有凝結(jié)器)，則離開陰極52的所有水蒸汽均被排出。
[0022]蓄積器水箱76為燃料電池44提供外部水源。之后，根據(jù)需要，液體水沿路徑82傳送回到燃料電池44。泵(未示出)被用于使得液體水沿著路徑80和82運動。
[0023]因此，蓄積器水箱76中的液體水中的一些可以是由燃料電池44產(chǎn)生的水。來自蓄積器水箱76的水可以被用于“感知地”冷卻燃料電池，這通過在所述水橫穿燃料電池時吸收熱并升高水溫來實現(xiàn)。替代性地，或者額外地，冷卻劑水可以“蒸發(fā)地”冷卻燃料電池，這通過使得水蒸發(fā)到空氣(或其他反應(yīng)物氣體)流中來實現(xiàn)。運動回到蓄積器水箱76的液體水包括超出蒸發(fā)需求而被提供的液體水，所述液體水從沿路徑80運動的空氣凝結(jié)得到。
[0024]因此，沿路徑80從燃料電池44傳送出的液體水的量被燃料電池44重復(fù)使用并且不離開燃料電池系統(tǒng)40。相比之下，從燃料電池44移動通過空氣排出口 72的水蒸汽中的大部分離開燃料電池系統(tǒng)40。示例性燃料電池系統(tǒng)40是便攜系統(tǒng)(例如用于車輛的系統(tǒng))并且不能接入到無限水源。
[0025]如果從系統(tǒng)40排出的水蒸汽的總量等于由燃料電池44產(chǎn)生的水，則系統(tǒng)40能夠被稱為以水平衡操作。如果從系統(tǒng)40排出的水蒸汽的總量大于由燃料電池44產(chǎn)生的水，則系統(tǒng)40能夠被稱為以負(fù)的水平衡操作。如果從系統(tǒng)40排出的水蒸汽的總量小于由燃料電池44產(chǎn)生的水，則系統(tǒng)40能夠被稱為以水過量操作。
[0026]在示例性系統(tǒng)40中，控制器84可操作地連接到被固定到蓄積器水箱76的傳感器88a和88b。第一傳感器88a被用于確定蓄積器水箱76內(nèi)的水液面是否高于液面Lp第二傳感器88b被用于確定蓄積器水箱76內(nèi)的水液面是否高于液面L2。
[0027]在這種示例中，液面L1高于液面L2。如能夠意識到的，蓄積器水箱76內(nèi)的水量當(dāng)水液面處于液面L1時比當(dāng)水液面處于液面L2時更大。
[0028]傳感器88a和88b探測在蓄積器水箱76的具體高度處的水的存在性，以便確定燃料電池44可用的水量。另一些示例可以包括用于確定被燃料電池44使用的水的可用性的其他技術(shù)。
[0029]示例性控制器84響應(yīng)于由傳感器88a和88b提供的信息來對被傳送到燃料電池44的空氣做出調(diào)節(jié)。在這種示例中，控制器84對來自氧化劑供應(yīng)源68的空氣做出調(diào)節(jié)，以便增加或減少通過空氣排出口 72離開燃料電池系統(tǒng)40的水蒸汽的量。
[0030]在這種示例中，控制器84致動閥門90或其他裝置以調(diào)節(jié)進入燃料電池44的空氣的壓力，這會改變通過排出口 72離開燃料電池系統(tǒng)40的水蒸汽的量。在另一示例中，控制器84致動閥門90以調(diào)節(jié)進入燃料電池44的空氣的流率，這會改變通過排出口 72離開燃料電池系統(tǒng)40的水蒸汽的量。其他示例利用其他技術(shù)來改變離開燃料電池系統(tǒng)40的水蒸汽的量，例如調(diào)節(jié)將空氣供應(yīng)到燃料電池44的壓縮機。
[0031]許多計算裝置可以被用于實現(xiàn)控制器84的各種功能。在一種示例中，控制器包括微處理器，其執(zhí)行被存儲在控制器的存儲部分內(nèi)的程序。
[0032]參考圖3且繼續(xù)參考圖2，由控制器84使用的用于平衡系統(tǒng)40內(nèi)的水的示例性方法100包括:在步驟110處從燃料電池系統(tǒng)40排出水蒸汽，并且之后在步驟120處基于燃料電池44可用的水量來改變所述排出。
[0033]步驟110利用來自傳感器88a和88b的信息來確定燃料電池44可用的水量。雖然在這種示例中可用的水量被示為完全容納在蓄積器水箱76內(nèi)，但是從本公開受益的本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解，水量可以延伸到其他區(qū)域并且可以由適當(dāng)傳感(或其他)裝置監(jiān)測。
[0034]圖4示出了由系統(tǒng)40內(nèi)的控制器84利用的控制的更加具體的方法200。在步驟210處，控制器84確定燃料電池44可用的水量是否大于量X10在這種示例中，量X1對應(yīng)于蓄積器水箱76內(nèi)的水超過液面U。在步驟210處，控制器84還確定被供應(yīng)到燃料電池44的空氣的壓力是否大于最小可能壓力。已知的是，提供不必要的壓力是低效的。
[0035]如果控制器84確定水大于X1并且壓力大于最小可能壓力Pmin，則控制器84在步驟220處降低被供應(yīng)到燃料電池44的空氣的壓力。
[0036]如果可用水不大于X1且/或被供應(yīng)的空氣的壓力不大于最小潛在壓力Pmin,則控制器84運動到步驟230。在這個步驟，控制器84確定可用水是否小于X1并且被供應(yīng)到燃料電池44的空氣的壓力是否小于最大潛在壓力Pmax。如果是，則控制器84運動到步驟240，在該步驟中，控制器84增加被供應(yīng)到燃料電池44的空氣的壓力。
[0037]如果步驟230的答案是否，則之后控制器84在步驟250確定可用水是否大于X2。在這種示例中，X2對應(yīng)于圖2所示液面L2。液面L2低于液面L1并且表明與水處于液面L1時相比存在更少的水可用于由燃料電池44使用。
[0038]更具體地，在這種示例中，液面L1代表蓄積器水箱76被填充到其總的潛在容量的大約75%。液面L2代表蓄積器水箱76被填充到其容量的25%。
[0039]如果在步驟250可用水大于X2,則方法200和控制器84在步驟260維持被供應(yīng)到燃料電池44的空氣的壓力。如果在步驟250可用水不大于X2,則方法200和控制器84在步驟270可以限制從燃料電池44汲取的功率。
[0040]在一種示例中，在步驟270處限制從燃料電池汲取的功率包括:減少對從燃料電池44汲取的潛在功率的現(xiàn)有限制。例如，如果燃料電池44被用于給車輛提供動力，則對從燃料電池44汲取的功率的現(xiàn)有限制可以是80千瓦。如果在步驟250的答案是可用水小于X2，則控制器84在方法步驟270將現(xiàn)有限制減小到較低水平，例如60千瓦。
[0041]控制器84也可以限定下限，例如40千瓦，以便確保燃料電池44產(chǎn)生足夠量的水，以經(jīng)由路徑80補給蓄積器水箱76。
[0042]前面的描述實質(zhì)上是示例性而不是限制性的。本領(lǐng)域技術(shù)人員可以顯而易見到不必背離本公開本質(zhì)的所公開示例的變型和改進。因此，本公開被賦予的法律保護范圍僅可通過研究所附權(quán)利要求來確定。
【權(quán)利要求】
1.一種水平衡方法，包括: 從系統(tǒng)排出水蒸汽；以及 響應(yīng)于所述系統(tǒng)可用的水量來改變所述排出。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)水平衡方法，其中所述改變包括增加進入所述系統(tǒng)的反應(yīng)物的壓力。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)水平衡方法，其中所述改變包括減小進入所述系統(tǒng)的反應(yīng)物的流率。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系 統(tǒng)水平衡方法，其中所述水量包括蓄積器水箱內(nèi)的水液面。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)水平衡方法，包括響應(yīng)于所述系統(tǒng)可用的水量來限制從所述系統(tǒng)汲取的功率。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的系統(tǒng)水平衡方法，包括通過施加最大功率汲取極值和最小功率汲取極值來限制被汲取的功率。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)水平衡方法，其中所述系統(tǒng)是燃料電池系統(tǒng)。
8.一種燃料電池水平衡方法，包括: 探測燃料電池可用的水量；以及 響應(yīng)于所述探測來限制從所述燃料電池系統(tǒng)排出的水蒸汽。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的燃料電池水平衡方法，包括限制從所述燃料電池汲取的功率。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的燃料電池水平衡方法，包括通過施加最大功率汲取極值和最小功率汲取極值來進行限制。
11.根據(jù)權(quán)利要求8所述的燃料電池水平衡方法，包括:在所述水量小于第一參考水量的情況下，限制從所述燃料電池排出的水蒸汽；在所述水量小于比所述第一參考水量小的第二參考水量的情況下，限制從所述燃料電池汲取的功率。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的燃料電池水平衡方法，其中所述第一參考水量是蓄積器容量的大約75%，并且所述第二參考水量是所述蓄積器容量的大約25%。
13.一種燃料電池組件，包括: 燃料電池，其從供應(yīng)源接收水；和 控制器，其響應(yīng)于所述供應(yīng)源內(nèi)的水量選擇性地改變從所述燃料電池傳送出的水蒸汽的量。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的燃料電池組件，其中所述供應(yīng)源包括蓄積器水箱。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的燃料電池組件，其中所述燃料電池產(chǎn)生被傳送到所述供應(yīng)源的液體水。
16.根據(jù)權(quán)利要求13所述的燃料電池組件，其中所述水蒸汽從所述燃料電池排出到環(huán)境。
17.根據(jù)權(quán)利要求13所述的燃料電池組件，包括將液體水從所述供應(yīng)源傳送到所述燃料電池的管道。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的燃料電池組件，其中所述控制器起動裝置的致動以便改變進入所述燃料電池的反應(yīng)物的壓力。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的燃料電池組件，其中所述裝置是閥門、壓縮機、或閥門和壓縮機二者。
20.根據(jù)權(quán)利要求17所述的燃料電池組件，其中所述控制器起動裝置的致動以便改變進入所述燃料電池的反應(yīng)物的流率。
【文檔編號】H01M8/10GK103959526SQ201180075226
【公開日】2014年7月30日 申請日期:2011年12月1日 優(yōu)先權(quán)日:2011年12月1日
【發(fā)明者】J.D.奧奈爾, C.M.古德里奇, D.A.阿瑟 申請人:聯(lián)合工藝公司