优化其运行的燃料电池系统和控制燃料电池系统的方法与流程

本公开一般涉及用于控制燃料电池的方法和燃料电池系统。特别地，本公开涉及用于通过控制燃料电池的热运行参数来在燃料电池的运行期间控制燃料电池的方法，以及配置为进行这种方法的燃料电池系统。

背景技术：

1、常规的燃料电池系统及运行燃料电池系统的方法是鉴于假设和预测的运行条件来设计的。例如，确定燃料电池的最大和最小功率输出要求，然后制造和运行燃料电池以满足这些功率输出要求。

2、例如，预测燃料电池的运行期间的电流强度，并基于该电流强度形成极化曲线。这包括采用数学模型和模拟。一旦找到最佳极化曲线，就可以制造和运行对应的燃料电池。

3、然而，这样的模型和模拟基于相当静态的运行条件和/或理想的燃料电池堆以及理想的内部燃料电池条件。

技术实现思路

1、因此，本公开的目的是提供一种用于在运行期间控制燃料电池的方法和关联的燃料电池系统，以便优化燃料电池运行。

2、该目的通过如在独立权利要求中限定的本发明来解决。优选实施例由从属权利要求限定。

3、按照为了更好地理解本公开的第一方面，一种用于在燃料电池的运行期间控制燃料电池的方法包括确定与燃料电池电连接的负载的功率需求。电连接到燃料电池的负载是燃料电池所产生的电力的电力消耗者。该负载的功率需求是针对当前时间，即，在所述确定之后的瞬间或预定义时间段的。因此，可以确定和控制燃料电池的动态负载。

4、该方法还包括感测燃料电池的电动势，并基于所感测的燃料电池的电动势确定燃料电池的可用电功率。感测的燃料电池的电动势是燃料电池的理论最大电压，即，如果没有负载由燃料电池供电，则理论上可用的最大电压。

5、燃料电池的可用电功率是基于燃料电池的具体特性确定的。例如，可以采用预先确定的极化曲线来确定可用电功率。可替选地或另外地，可以基于感测的电动势直接查找可用电功率。

6、此外，该方法包括计算所确定的负载的功率需求与燃料电池的可用电功率之间的偏差，并控制燃料电池的热运行参数以补偿所计算的偏差。

7、因此，在燃料电池的运行期间，该方法允许相对于由燃料电池供电的负载的功率需求优化燃料电池的可用电功率。这允许燃料电池的运行参数的“实时”(在线)调整，以动态运行燃料电池。因此，可以校正和优化燃料电池的运行条件，这避免了燃料电池的退化(degradation)和/或燃料电池的运行期间的效率损失。

8、燃料电池将例如来自氢气和氧气的化学能转化为电、热和水。其中，燃料电池中液态和气态产物水的比例定义了燃料电池的运行条件和效率。应达到气态水和液态水之间的平衡，以便燃料电池能在稳态运行下运行，这有利于燃料电池的使用寿命。例如，如果液态水的量增加，则电动势增加。更大量的液态水导致更大量的冷凝热，这些冷凝热需要例如通过冷却燃料电池的冷却剂系统排出。例如，为了处理更高的热量，需要更大的热交换器或更大量的冷却剂。对于这两种情况，结果都将是更大的发动机，进而更重的发动机。

9、此外，当从电池中去除水时浪费更多的热量，因为水的质量流量高于气态水。然而，归因于热损失，这导致燃料电池的效率损失。

10、此外，如果供应给燃料电池的空气(例如，作为氧气的来源)的温度较低，该比例也可能向液态水偏移。如果没有认识到这种偏移，就会产生更多的液态水，这导致更高的废热(效率损失)和催化剂降解率的增加。

11、公开的方法通过将燃料电池的负载的功率需求与可用电功率进行比较来动态(在线)运行。通过控制燃料电池的热运行参数，可以保持平衡(在偏移发生之前)。负载的功率需求与可用电功率之间的这种比较以及热运行参数的控制可以按任何时间间隔进行。仅仅作为例子，可以在0.25hz至5hz的频率下，优选在0.5hz至2hz的频率下，并且最优选在1hz的频率下(即每秒)进行所述比较和控制。

12、通常，如果在负载处确定燃料电池的减少的可用电功率，正如有时所进行的那样，则燃料电池的运行参数的校正将花费时间。这导致对燃料电池的负面影响以及负载的不良性能。

13、在一种实现变体中，控制热运行参数可以包括控制由冷却剂输送器输送通过燃料电池的冷却剂的质量流量、控制提供给燃料电池的空气的体积流量和控制提供给燃料电池的空气的气压中的一个或多个。通过改变冷却剂的质量流量，可以提高或降低燃料电池的温度，从而使液态和气态产物水的平衡保持在期望的比例。同样地，根据提供给燃料电池的空气温度，可以提高或降低燃料电池的温度。当控制提供给燃料电池的空气的气压时，可以增加或减少空气的体积流量。例如，更高的气压导致更高的空气密度，从而改善氧气供应，并因此提高燃料电池堆效率。

14、在另一种实现变体中，该方法还可以包括感测燃料电池的冷却剂入口处的冷却剂的温度和燃料电池的冷却剂出口处的冷却剂的温度，并且基于所感测的冷却剂入口和冷却剂出口处的温度之间的差异来计算形成燃料电池的电动势的一部分的热功率。例如，冷却剂可以是冷却回路的一部分，并且可以由冷却剂输送器输送通过燃料电池和外部热交换器。燃料电池的电动势可以被解释为包括电功率部分和热功率部分，其中热功率部分可以通过下式来计算

15、

16、其中是热质量，单位为j/ks，δt是冷却剂入口和冷却剂出口之间的温差，单位为k。

17、在另一种实现变体中，质量流量和温差δt可以可替选地或另外地与例如作为氧气的来源提供给燃料电池的空气流量相关。因此，可以在进出燃料电池的入口和出口处测量温差δt。

18、在任何情况下，当在该方法中计算电功率的偏差时，这可以至少部分基于所计算的热功率pth。

19、仅仅作为例子，电动势可以被计算为

20、uemf＝(pth+pel)/i  (2)

21、pel＝u*i  (3)

22、其中pel是电功率，u和i分别是包括燃料电池和负载的电路的电压和电流。u和i同样可以在这个电路中随时测量。

23、例如，如果在燃料电池入口和出口处在冷却回路中测量δt，并且在冷却回路的输送设备(或者在入口或出口)处测量则可以计算热功率。按照式(3)得到的电功率pel然后可以被设定为燃料电池的可用电功率。

24、此外，电动势可以基于式(1)至式(3)来计算，并且强烈地取决于燃料电池的热条件。因此，如果负载的功率需求指示与按照当前计算的电动势uemf可以从电功率pel获得的电功率不同的所需电功率，则该方法可以调整热运行参数以取得与负载的功率需求匹配的电动势uemf。

25、在又一种实现变体中，该方法还可以包括针对燃料电池的当前运行状态确定燃料电池的吉布斯自由能，其中计算电功率的偏差基于所确定的吉布斯自由能。

26、虽然吉布斯自由能可以查到，并且在某些条件下对于水的液态和气态平衡是众所周知的，但是电动势可以计算为

27、uemf＝-δg/z*f  (4)

28、其中δg是吉布斯自由能，单位为kj/mol，z是电极反应中涉及的电子的数量，f是法拉第常数，单位为as/mol。

29、因此，可以确定基于吉布斯自由能导出的电动势(uemf)(式(4))与在燃料电池处感测到的电动势(式(1)至(3))之间的偏差。然后可以改变(控制)燃料电池的热运行参数，以补偿该偏差。

30、在又一种实现变体中，负载的功率需求的确定包括检索该负载在预先定义的未来时间段的负载曲线图(load profile)。例如，负载可能具有特定的运行计划，并且所需的电功率是预先已知的。这种已知的所需电功率可以以曲线图的形式，例如，以随时间推移的所需功率水平的形式来检索。预先定义的时间段可以包括任何未来的时间，比如5秒、10秒、20秒、1分钟、2分钟、5分钟、10分钟、60分钟、甚至更长。

31、按照为了更好地理解本公开的第二方面，一种燃料电池系统包括燃料电池堆，配置为输出指示燃料电池堆的运行参数的传感器信号，配置为冷却燃料电池堆的冷却回路和控制单元。

32、仅仅作为例子，这种燃料电池系统可以用于执行第一方面的方法或其变体之一。特别地，控制单元可被配置为执行第一方面的方法或其变体之一。

33、具体地，燃料电池系统的控制单元被配置为确定与燃料电池堆电连接的负载的功率需求。该需求可以直接在负载处和/或在控制负载的控制器处确定。

34、控制单元还被配置为基于至少一个传感器的传感器信号确定燃料电池堆的电动势，基于所确定的燃料电池堆的电动势来确定燃料电池堆的可用电功率，计算所确定的负载的功率需求与燃料电池堆的可用电功率之间的偏差，并控制冷却回路来调整燃料电池堆的热运行参数，以补偿所计算的偏差。

35、控制单元可以实时(在线)操作，即，可以控制燃料电池堆的热运行参数，作为对所确定和计算的参数的直接响应。因此，燃料电池堆可以按更恒定的方式运行，特别是就产物水的液态和气态平衡而言。

36、在一种实现变体中，冷却回路可以包括冷却剂入口、冷却剂出口和冷却剂输送器，冷却剂输送器将冷却剂从冷却剂出口输送到冷却剂入口并通过燃料电池堆。这进一步允许控制单元被配置为，在调整热运行参数时：

37、(1)改变由冷却剂输送器输送的冷却剂的质量流量，和/或

38、(2)改变提供给燃料电池堆的空气的体积流量，和/或

39、(3)改变提供给燃料电池堆的空气的气压。

40、应当理解的是，控制单元可以调整或改变燃料电池堆的附加或备选热参数。控制单元的目的是在燃料电池堆中实现(相对)恒定的温度，这导致(相对)恒定的电动势，并且因此实现燃料电池堆的最佳运行。另外，控制单元被配置为基于负载的功率需求在燃料电池堆中实现(相对)恒定的温度，电动势和可用电功率取决于该温度。

41、在另一种实现变体中，至少一个传感器可以包括配置为感测燃料电池堆的冷却剂入口处的冷却剂的温度的冷却剂入口温度传感器，和配置为感测燃料电池堆的冷却剂出口处的冷却剂的温度的冷却剂出口温度传感器。应当理解的是在燃料电池堆中或在燃料电池堆处可以实现和设置附加的温度和/或压力传感器。

42、在又一种实现变体中，控制单元还可以被配置为基于所感测的冷却剂入口和冷却剂出口处的温度之间的差异来计算形成燃料电池的电动势的一部分的热功率，并且至少部分基于所计算的热功率来计算电功率的偏差。

43、控制单元可以基于如关于第一方面概述的式(1)至(3)来进行计算。

44、在另一种实现变体中，质量流量和温差δt可以可替选地或另外地与例如作为氧气的来源提供给燃料电池的空气流量相关。因此可以在空气流量进出燃料电池的入口和出口处测量温差δt。质量流量可以通过空气的输送器，比如风扇、压缩机、空气源的阀门等来控制。

45、在又一种实现变体中，控制单元还可被配置为针对燃料电池堆的当前运行状态确定燃料电池堆的吉布斯自由能，并且基于所确定的吉布斯自由能计算电功率的偏差。

46、控制单元可以基于如关于第一方面概述的式(1)至(4)来进行计算。

47、本公开在描述的形式和顺序方面不限于所述各个方面和变体。具体地，所述各个方面和变体的描述不应被理解为特征的特定限制性分组。应理解的是本公开还覆盖所述各个方面和变体的组合。因此，每个变体或可选特征可以与任何其他方面、变体、可选特征或者甚至它们的组合相结合。