專利名稱：用于車輛的混合功率裝置系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明的實(shí)施例總體上涉及能量存儲(chǔ)和產(chǎn)生裝置，更具體地涉及使用這種裝置來支持車輛的推進(jìn)。
背景技術(shù)：
通常，用于推進(jìn)電動(dòng)車輛的電功率由電池提供。這些電池通常通過插座機(jī)構(gòu)使用來自電網(wǎng)的電來充電?，F(xiàn)有技術(shù)的電池能夠在大塊的外殼中電方式存儲(chǔ)能量，該大塊的外殼比現(xiàn)有技術(shù)的內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)、外燃發(fā)動(dòng)機(jī)和燃料電池重得多。因此，電池驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)車輛的駕駛里程受到需要存儲(chǔ)提供期望的車輛里程的所需的能量的電池的重量、尺寸和成本的限制。因此，電池電動(dòng)車輛的里程通常低于等量的內(nèi)燃、外熱或燃料電池驅(qū)動(dòng)的車輛。對(duì)僅具有電池的電動(dòng)車輛的電池進(jìn)行充電也是耗費(fèi)時(shí)間和能量強(qiáng)度高的過程。這些特性使得僅有電池的電動(dòng)車輛的里程問題更為嚴(yán)峻，因?yàn)樵诘竭_(dá)駕駛員的目的地之前存在與到達(dá)車輛的里程限制相關(guān)的時(shí)間損失。術(shù)語“里程焦慮”已經(jīng)被創(chuàng)造出來用于描述很多的僅有電池的電動(dòng)車輛駕駛員在他們的車輛電池的電荷狀態(tài)下降時(shí)所經(jīng)歷的緊張感受。最后，僅有電池的電動(dòng)車輛的一個(gè)主要限制在于它們僅能夠利用電來補(bǔ)給(或再充電)。結(jié)果，車輛的環(huán)境影響與產(chǎn)生電的方式有關(guān)，而大部分使用者對(duì)此無能為力。在電主要是由煤來產(chǎn)生的區(qū)域中，電池電動(dòng)車輛的環(huán)境影響可能高于等量的汽油車輛。為了解決僅有電池的電動(dòng)車輛的里程、補(bǔ)給時(shí)間以及補(bǔ)給源的問題，已經(jīng)提出了結(jié)合內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)、外燃發(fā)動(dòng)機(jī)或燃料電池發(fā)生器。這些發(fā)生器可以使用可用的燃料來補(bǔ)給。因此由燃料的化學(xué)能減去與將燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)換為電能相關(guān)的無效率提高了車輛攜帶的能量。發(fā)生器主要用于對(duì)車輛的電池再充電或降低從電池提取的電能。然而，與電池組一起使用內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)在技術(shù)上是復(fù)雜的，并且通常引起過度的能量損失，其降低車輛效率并且增加發(fā)動(dòng)機(jī)尺寸需求。主要障礙在于機(jī)械能形式的內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出能量通過發(fā)生器轉(zhuǎn)換為電能。此外，發(fā)生器的電輸出必須被轉(zhuǎn)換以匹配車輛電池的電壓。這些能量轉(zhuǎn)換步驟降低了發(fā)動(dòng)機(jī)的整體效率，而增加了重量、尺寸和成本。另外，由于不穩(wěn)定的燃燒過程以及在燃燒室中的壓縮和膨脹過程，內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)固有地產(chǎn)生氮氧化物(NOx)排放物。高的燃燒溫度和高的壓力促進(jìn)NOx的形成。NOx是低空臭氧形成的前體，低空臭氧是在兒童中引起肺部疾病和慢性哮喘的主要因素。最后，盡管燃燒發(fā)動(dòng)機(jī)能夠以很多燃料補(bǔ)給，但它們很少能夠以多種類型的燃料來補(bǔ)給。例如，不含鉛汽油的發(fā)動(dòng)機(jī)具有以柴油燃料來運(yùn)轉(zhuǎn)的能力是非常不常見的。該限 制是由于不同類型的燃料在壓縮和膨脹要求方面的不同。此外，每種燃料具有不同的使得能夠以不同類型的燃料操作的移動(dòng)部件的設(shè)計(jì)變得復(fù)雜的潤滑和材料要求。
燃料電池是電化學(xué)功率發(fā)生器，類似于電池，其直接將化學(xué)能轉(zhuǎn)換為電。這種直接轉(zhuǎn)換能夠?qū)е路浅８咝У牟僮鳌，F(xiàn)有技術(shù)的有成本效益的燃料電池使用氫作為它們的燃料。因此，為了使用燃料電池來擴(kuò)展電池電動(dòng)車輛的駕駛里程，必須使用氫作為燃料，或者必須采用車載重整器。氫是有吸引力的車輛燃料，因?yàn)樗軌蛴纱罅康脑串a(chǎn)生。車輛的排放物可能僅是水蒸汽。然而，氫是一種具有低的體積能量密度的燃料。也就是說，在一定體積中包含的氫的能量含量比較小。作為一個(gè)示例，圖I是顯示對(duì)20kWh電池組充電所需要的燃料的加侖數(shù)的圖表。為了使用燃料電池系統(tǒng)向車輛的電池提供20kWh的電能，將需要14. 2加侖的被壓縮到5000psi的氫，而柴油或汽油僅需要2加侖。液體燃料比氫燃料具有高得多的能量含量，因此，即使具有與重整相關(guān)的更大的效率損失，所需的燃料的量也低得多。如果在傳統(tǒng)的燃料電池中使用氫之外的燃料，則需要重整器。重整器在通常是催化的過程中將燃料轉(zhuǎn)換為富氫氣體。然而，現(xiàn)有技術(shù)的重整器催化劑易受到燃料中的硫含量的影響。因此，汽油和柴油重整是高度特殊的任務(wù)。大部分汽油或柴油重整器采用液體硫捕集器、加氫脫硫反應(yīng)器或分餾來降低進(jìn)入重整器的硫水平。這些系統(tǒng)增加了整體系統(tǒng)·的復(fù)雜性、成本、尺寸和重量。在燃料電池系統(tǒng)中使用不同類型燃料的另一個(gè)障礙在于燃料處理器必須能夠重整不同的燃料混合物。例如，經(jīng)常使用的汽油由庚烷、異辛烷、環(huán)戊烷、乙苯和乙醇的混合物組成。因此，汽油燃料處理器必須能夠有效地重整整個(gè)燃料混合物。這種任務(wù)是復(fù)雜的，因?yàn)橹卣^程是內(nèi)熱氫產(chǎn)生反應(yīng)和氧化能量產(chǎn)生反應(yīng)之間的平衡。平衡較好的重整器應(yīng)該具有為零的凈能量產(chǎn)生。然而，在燃料混合物(例如汽油)中的每種燃料要求不同量的能量來重整并且在氧化時(shí)產(chǎn)生不同量的能量。燃料流率和燃料成分的變化能夠使得重整反應(yīng)不穩(wěn)定，由此降低效率，影響硬件穩(wěn)定性，并且可能使得重整過程停止。重整物的成分影響燃料電池的性能。尤其是一氧化碳(CO)和硫化氫是能夠隨著部分重整反應(yīng)而形成的公知的燃料電池毒物。CO是有問題的，因?yàn)椴荒軌蚍乐顾漠a(chǎn)生。另一方面，通過從燃料除去硫能夠減少硫化氫。通過結(jié)合到電極中的有效位置，CO損害燃料電池的陽極。實(shí)際上，CO分子與氫分子爭奪電極位置。陽極電極中的CO活性水平高度依賴于溫度。隨著燃料電池溫度升高，CO活性降低，并且氫活性提高?，F(xiàn)有技術(shù)的低溫PEM燃料電池不能夠在性能不大大降低的情況下承受重整物流中的大于30ppm的CO濃度。低溫PEM燃料電池在60°C和80°C之間操作。在120°C和200°C之間操作的高溫PEM燃料電池已經(jīng)顯示了在重整物的CO濃度高達(dá)3%時(shí)的可接受的性能。為了控制CO，燃料處理器配備有水氣變換反應(yīng)器、鈀薄膜分離器、和/或變壓吸附器。這些反應(yīng)器增加了燃料電池系統(tǒng)的重量、尺寸、成本和復(fù)雜性。因此，需要一種能夠減小這種擔(dān)憂的系統(tǒng)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的實(shí)施例涉及燃料靈活的燃料電池系統(tǒng)。與等量里程的僅有電池的電動(dòng)車輛相比，該系統(tǒng)能夠以可能較低的成本提供具有高得多的駕駛里程的車輛。將這些構(gòu)件集成到單個(gè)系統(tǒng)中還允許車輛是燃料靈活的，也就是說，能夠以寬范圍的燃料來補(bǔ)給而不需要改變系統(tǒng)中的硬件。系統(tǒng)可以包括燃料源，該燃料源包括一種或多種包含氫的燃料。在一個(gè)實(shí)施例中，燃料源可以包括多種包含氫的燃料。系統(tǒng)還包括燃料處理器。燃料處理器與燃料源流體連通。燃料處理器由從燃料源接收到的一種或多種包含氫的燃料產(chǎn)生氫。燃料處理器不使用選擇性氧化器來移除一氧化碳(CO)。該系統(tǒng)可以包括用于燃料處理器的加熱器。燃料處理器能夠在至少大約600攝氏度的溫度操作。燃料處理器可以是自熱重整器，微塊自熱重整器、大塊自熱重整器或蒸汽重整器。該系統(tǒng)可以包括一個(gè)或多個(gè)高溫PEM燃料電池。燃料電池能夠在至少100攝氏度的溫度操作。燃料電池在瞬態(tài)情況和穩(wěn)態(tài)情況下操作。燃料處理器與燃料電池流體連通，使得由燃料處理器產(chǎn)生的氫供應(yīng)到燃料電池。在燃料電池的瞬態(tài)情況和穩(wěn)態(tài)情況期間，氫都可以從燃料處理器供應(yīng)到燃料電池。在穩(wěn)態(tài)情況下，燃料電池能夠操作在從大約120攝氏度至大約200攝氏度的范圍中。當(dāng)燃料處理器是自熱重整器時(shí)，來自燃料電池的陰極排氣可以直接引入自熱重整器以便回收在燃料電池中產(chǎn)生的水。系統(tǒng)還可以包括數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)。在一個(gè)實(shí)施例中，數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)可以操作地連接 以便接收燃料處理器的溫度數(shù)據(jù)?？刂破骺梢圆僮鞯剡B接到數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)?；谌剂咸幚砥鞯臏囟葦?shù)據(jù)，控制器可以調(diào)節(jié)進(jìn)入燃料處理器的燃料流率、空氣流率和/或水流率。結(jié)果，能夠優(yōu)化系統(tǒng)效率。控制器能夠在不斷開燃料處理器和燃料電池之間的流體連通的情況下調(diào)節(jié)進(jìn)入燃料處理器的燃料流率、空氣流率和/或水流率。在另一個(gè)實(shí)施例中，基于燃料處理器的溫度數(shù)據(jù)，控制器可以調(diào)節(jié)從燃料電池提取電流的速率。在另一個(gè)實(shí)施例中，數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)可以操作地連接以便接收高溫PEM燃料電池的電壓數(shù)據(jù)?？刂破骺梢圆僮鞯剡B接到數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)?；诟邷豍EM燃料電池的電壓，控制器可以調(diào)節(jié)進(jìn)入燃料處理器的燃料流率、空氣流率和/或水流率。結(jié)果，能夠優(yōu)化系統(tǒng)效率?？刂破髂軌蛟诓粩嚅_燃料處理器和燃料電池之間的流體連通的情況下調(diào)節(jié)進(jìn)入燃料處理器的燃料流率、空氣流率和/或水流率?？刂破骱?或數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)能夠操作地連接到查詢表數(shù)據(jù)庫來確定進(jìn)入燃料處理器的燃料流率、空氣流率和/或水流率。在一個(gè)實(shí)施例中，基于高溫PEM燃料電池的電壓，控制器可以調(diào)節(jié)從燃料電池提取電流的速率。


圖I是顯示對(duì)20kWh電池組充電所需要的燃料的加侖數(shù)的圖。圖2是在具有功率裝置系統(tǒng)的電動(dòng)車輛中的能量流的概略圖。圖3是具有功率裝置系統(tǒng)的電動(dòng)車輛的一個(gè)實(shí)施例的電流的概略圖。圖4是包括自熱重整器的功率裝置系統(tǒng)的一個(gè)實(shí)施例的概略圖。圖5是包括蒸汽重整器的功率裝置系統(tǒng)的一個(gè)實(shí)施例的概略圖。圖6是基于查詢表使用反饋控制環(huán)路來優(yōu)化燃料、空氣和水進(jìn)入燃料處理器的流率的系統(tǒng)的概略圖。
具體實(shí)施例方式實(shí)施例涉及用于車輛推進(jìn)的系統(tǒng)，該車輛是至少部分為機(jī)械運(yùn)輸裝置的任意一種，包括，例如，轎車、摩托車、火車、輪船、船艇、以及航空器，僅給出了一些可能情況。本文將解釋各種可能的方面，但詳細(xì)的描述僅意在是示例性的。圖2至圖6中示出了實(shí)施例，但實(shí)施例不限于所示出的結(jié)構(gòu)或應(yīng)用。將認(rèn)識(shí)到的是，為了示出的簡單和清楚，在適當(dāng)?shù)那闆r下，在不同的附圖中重復(fù)使用參考標(biāo)號(hào)以顯示相同的元件。參考圖2，功率裝置系統(tǒng)10能夠以任何適當(dāng)?shù)姆绞浇Y(jié)合到車輛12中。系統(tǒng)10包括燃料處理器14、高溫質(zhì)子交換膜(PEM)燃料電池16、以及可以包括一個(gè)或多個(gè)電池的電池組18。電池組18可以包括任何適當(dāng)類型的電池。在一個(gè)實(shí)施例中，一個(gè)或多個(gè)電池可以是鋰離子電池。可以通過燃料20和/或與電網(wǎng)22聯(lián)接而將能量引入車輛12中，如圖2所示。車輛12中的能量可以由電池組18和燃料20攜帶。在該系統(tǒng)中，燃料電池16可以被設(shè)計(jì)為提供足夠的功率來支持在典型的駕駛循環(huán)期間車輛的平均功率消耗的至少一部分。燃料電池16可以主要被設(shè)計(jì)為對(duì)車輛電池18再充電和/或降低從電池18提取到車輛推進(jìn)系統(tǒng)24的功率。電池18可操作地連接到燃料電池16。電池18還可以操作地連接到車輛電推進(jìn) 系統(tǒng)24。此處所使用的術(shù)語“操作地連接”可以包括直接或間接連接，包括不直接物理接觸的連接。在一個(gè)實(shí)施例中，“操作地連接”可以包括允許電池18和燃料電池16之間以及從電池18到車輛電推進(jìn)系統(tǒng)24的電功率通過的功率電子設(shè)備和控制電子設(shè)備(未示出)。燃料電池16可以與電池組18和車輛推進(jìn)系統(tǒng)24并聯(lián)連接，如圖3所示。燃料電池功率調(diào)節(jié)器，例如受控的功率調(diào)節(jié)器或DC/DC轉(zhuǎn)換器26，可以操作地定位在燃料電池16和電池組18之間以便利用電壓調(diào)整來控制從燃料電池16至電池18的電流流動(dòng)。在一個(gè)實(shí)施例中，燃料電池16和燃料處理器14可以僅在離散的條件下操作，使得由燃料電池系統(tǒng)16產(chǎn)生特定的功率輸出。離散的條件可以是，例如，以500W涓流充電和溫度保持，以及以5kW電池充電。在一個(gè)實(shí)施例中，燃料電池16是高溫PEM燃料電池。高溫PEM燃料電池16可以包括能夠在超過100°c的溫度下進(jìn)行質(zhì)子傳導(dǎo)的固體或半固體電解質(zhì)。在穩(wěn)態(tài)操作期間，高溫PEM燃料電池16可以在120°C至200°C之間的溫度帶中操作。在該范圍內(nèi)，燃料電池能夠以高達(dá)3%的CO濃度以及高達(dá)IOppm的硫化氫濃度操作。該操作溫度還可以降低燃料電池16受到重整物中的低氫濃度的影響。低溫燃料電池，即在穩(wěn)態(tài)操作期間具有低于120°C的操作溫度的燃料電池將不適用于本申請。例如，低溫燃料電池會(huì)受到一氧化碳毒物的影響，因?yàn)樗荒軌蛱幚砀叩腃O濃度，包括3%的濃度。另外，低溫燃料電池不能夠處理不同的基于碳?xì)浠衔锏娜剂?。此夕卜，低溫燃料電池非常容易受到濕度影響，而高溫燃料電池不?huì)。因此，低溫燃料電池系統(tǒng)包括各種額外特征來避免可能由于濕度而產(chǎn)生的很多問題，使得低溫燃料電池過于復(fù)雜?？梢允褂檬箍諝馔七M(jìn)通過燃料電池系統(tǒng)16的一部分的外翅片的風(fēng)扇或通過形成燃料電池系統(tǒng)16的一部分的冷卻板對(duì)高溫PEM燃料電池系統(tǒng)16進(jìn)行空氣冷卻。使用空氣冷卻能夠降低對(duì)系統(tǒng)中的液體冷卻劑、散熱器以及泵的需求，從而能夠降低燃料電池系統(tǒng)16的整體成本、重量和尺寸?？梢允褂藐帢O空氣對(duì)燃料電池16進(jìn)行空氣冷卻。系統(tǒng)10可以包括任何適當(dāng)類型的燃料處理器14。例如，燃料處理器14可以是重整器系統(tǒng)，其能夠處理一種或多種基于碳?xì)浠衔锏娜剂弦援a(chǎn)生氫。重整器系統(tǒng)的示例包括蒸汽重整器和自熱重整器。已經(jīng)證明自熱重整器具有快速的起動(dòng)，并且對(duì)于各種燃料中包含的硫具有良好的抵抗力。重整器可以被設(shè)計(jì)為使得其能夠重整各種各樣的燃料混合物。因此，燃料源28可以包括多種包含氫的燃料。這些燃料中的每一種可以是基于碳?xì)浠衔锏摹＿@些多種燃料可以彼此不同。多種燃料可以在燃料源28中混合在一起，或者多種燃料可以保持為分開。多種燃料可以一起被引入燃料處理器14或者在不同的時(shí)間被引入燃料處理器14。燃料處理器14的轉(zhuǎn)換效率和熱力學(xué)效率可能根據(jù)燃料混合物而不同。燃料處理器14能夠在至少大約60(TC的溫度操作。系統(tǒng)10可以包括分析器(未示出)來確定被供應(yīng)到燃料處理器14中的燃料混合物的成分。然而，在系統(tǒng)10中安裝分析器可能是復(fù)雜的或不被允許的。因此，當(dāng)燃料處理器14操作時(shí)，可以通過改變空氣與燃料的比以及水與燃料的比來優(yōu)化重整物質(zhì)量。例如，可以通過實(shí)時(shí)分析重整物氣體中的氫和CO成分和/或通過燃料電池系統(tǒng)的重整器和陽極廢氣燃燒器內(nèi)的溫度分布來估計(jì)重整物質(zhì)量。圖4中示出了具有燃料處理器14的系統(tǒng)10的一個(gè)示例，該燃料處理器14包括自 熱重整器30。系統(tǒng)10可以包括各種構(gòu)件。通常，系統(tǒng)10可以包括重整器子系統(tǒng)32和燃料電池子系統(tǒng)34。燃料電池子系統(tǒng)34可以包括高溫PEM燃料電池16和尾氣燃燒器36，該尾氣燃燒器36主要氧化氫以及沒有參加燃料電池電化學(xué)氧化反應(yīng)的其它氣體。燃料電池16可以與燃燒器36流體連通。因此，來自燃料電池16的陽極尾氣38可以供應(yīng)到燃燒器36。陽極尾氣38是從燃料電池陽極發(fā)出的氣體流。陽極尾氣38可以包括沒有參加燃料電池反應(yīng)的氣體以及在燃料電池16中沒有反應(yīng)的部分氫氣?？諝鈮嚎s機(jī)40可以從任何適當(dāng)?shù)脑?諸如周圍空氣)引導(dǎo)和壓縮空氣。空氣壓縮機(jī)40可以與燃料電池16以及燃燒器36流體連通并將空氣供應(yīng)給燃料電池16以及燃燒器36。燃燒器36產(chǎn)生的燃燒產(chǎn)物42可以排出到大氣?；蛘撸瑏碜匀紵?6的燃燒產(chǎn)物42可以在被排出到大氣之前以熱交換的關(guān)系供應(yīng)到蒸發(fā)器44，如圖4所示。重整器子系統(tǒng)32可以包括燃料源46、冷凝器48、水儲(chǔ)存器50、蒸發(fā)器44、以及燃料處理器14。燃料處理器14可以包括水氣變換反應(yīng)器52以及自熱重整器30。自熱重整器30可以是微塊(microlith)自熱重整器或大塊(monolith)自熱重整器?？諝鈮嚎s機(jī)40可以與自熱重整器30流體連通。來自壓縮機(jī)40的空氣可以與來自燃料源28的一種或多種燃料20 —起被供應(yīng)到自熱重整器30。燃料源28可以與自熱重整器30流體連通。因此，一種或多種燃料20可以被供應(yīng)到自熱重整器30。沿途，該一種或多種燃料20可以以熱交換的關(guān)系通過冷凝器48以便預(yù)熱或蒸發(fā)燃料并且冷凝來自燃料電池陰極排氣64的水。替代性地或附加地，該一種或多種燃料20可以以熱交換的關(guān)系通過蒸發(fā)器44以便在進(jìn)入重整器30之前進(jìn)一步加熱燃料。來自燃燒器36的燃燒產(chǎn)物42可以以熱交換的關(guān)系供應(yīng)到蒸發(fā)器44。在由自熱重整器30處理之后，空氣-燃料混合物可以供應(yīng)到水氣變換反應(yīng)器52。此外，來自水儲(chǔ)存器50的水54可以被供應(yīng)到變換反應(yīng)器52和/或自熱重整器30。由燃料處理器14產(chǎn)生的重整物56可以供應(yīng)到燃料電池16。冷卻空氣60和壓縮空氣62可以供應(yīng)到燃料電池16。如上所述，來自燃料電池16的陽極尾氣38可以供應(yīng)到尾氣燃燒器36。用于引入燃料處理器14的水回收能夠以各種方式實(shí)現(xiàn)。在圖4所示的系統(tǒng)中，可以通過冷凝包含在陰極廢氣64中的水來實(shí)現(xiàn)用于引入燃料處理器14的水回收，該陰極廢氣64可以是離開燃料電池16的陰極的廢棄的空氣和水。陰極廢氣64可以以熱交換的關(guān)系通過冷凝器48?；厥盏乃?6可以存儲(chǔ)在水儲(chǔ)存器50中。這種回收的水50稍后可以供應(yīng)到燃料處理器14，諸如供應(yīng)到低溫水氣變換反應(yīng)器52。其余的陰極廢氣64可以排出到大氣。水回收可以以其它適當(dāng)方式來實(shí)現(xiàn)。例如，可以通過將未處理的陰極廢氣64引導(dǎo)進(jìn)入燃料處理器14而實(shí)現(xiàn)水回收。陰極廢氣64可以包含足夠量的水和氧以促進(jìn)大部分碳?xì)浠衔锘旌衔锏闹卣磻?yīng)。這種方法可以降低冷凝器48的尺寸，并且可以有益地使用由燃料電池16產(chǎn)生的熱來提高系統(tǒng)10的效率。系統(tǒng)10可以包括數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)68。數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)68可以操作地連接以便從燃料處理器14接收溫度數(shù)據(jù)和/或從燃料電池16接收電壓數(shù)據(jù)。一個(gè)或多個(gè)傳感器70可以操作性地與燃料處理器14和/或燃料電池16相關(guān)聯(lián)以便提供所需數(shù)據(jù)。來自燃料處理器14的溫度數(shù)據(jù)可以是沿著燃料處理器14的溫度分布。數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)68可以操作性地連接到控制器72?？刂破?2可以包括硬件、軟件或其任意組合。在一個(gè)實(shí)施例中，控制器72可以是數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)68的一部分。例如，控制器72可以是安裝在數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)68上的軟件。在另一個(gè)實(shí)施例中，控制器72可以與數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)68分開，但可操作地連接到數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)68?？刂破?2可以操作地連接到系統(tǒng)的各個(gè)子構(gòu)件。例如，控制器72可以與燃料源、空氣壓縮機(jī)和/或水儲(chǔ)存器操作性地連接以便控制來自各個(gè)源的流體的流量。在一個(gè)實(shí)施例中，由數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)接收到的燃料電池電壓和/或重整器溫度可以用來通過改變進(jìn)入重整器的燃料流率、空氣流率和/或水流率而優(yōu)化氫轉(zhuǎn)換效率。即，這些流率中的一個(gè)或多個(gè)可以被增加或降低。可以在不斷開、繞過和/或中斷重整器和燃料電池之間的流體連通的情況下改變進(jìn)入氫重整器的燃料流率、空氣流率和/或水流率。替代性地或附加地，控制器可以操作性地連接到燃料電池的功率管理器。通過功率管理器，控制器可以調(diào)節(jié)從燃料電池提取出來的電流的量?？梢酝ㄟ^反饋控制環(huán)路實(shí)現(xiàn)進(jìn)入氫重整器的燃料流率、空氣流率和/或水流率的控制。反饋控制環(huán)路可以基于各種潛在的包含氫的燃料或燃料混合物的最優(yōu)溫度的查詢表。圖6示出了這樣的反饋控制環(huán)路的一個(gè)示例。來自燃料電池子系統(tǒng)和/或重整器子系 統(tǒng)的數(shù)據(jù)可以由數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)接收。這種數(shù)據(jù)可以包括當(dāng)前的空氣、水、和/或燃料流率。可以獲取沿著燃料處理器的溫度分布?；谠摂?shù)據(jù)，數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)68和/或控制器72可以操作地連接到查詢表73。查詢表73可以包括對(duì)于進(jìn)入燃料處理器的各種給定的空氣、水、和/或燃料流率下的各種燃料的溫度分布的數(shù)據(jù)庫。查詢表中最接近的溫度分布作為獲取的溫度分布?；谠摐囟确植?，水、空氣、和/或燃料流率可以被調(diào)節(jié)來優(yōu)化在給定的燃料電池功率水平的操作?？刂破?2和/或數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)68可以將信號(hào)發(fā)送給燃料源、空氣壓縮機(jī)、和/或水儲(chǔ)存器，以便相應(yīng)地調(diào)節(jié)從各個(gè)源進(jìn)入燃料處理器的流率。
作為查詢表的替代或在查詢表之外，反饋控制環(huán)路可以基于訓(xùn)練的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)或神經(jīng)模糊控制器。應(yīng)該注意到，控制器可以選擇性地改變進(jìn)入氫重整器的燃料流率、空氣流率和/或水流率中的一個(gè)以便找到最優(yōu)流率。還可以采用使用更高碳?xì)浠衔镎羝卣?4的系統(tǒng)。圖5示出了這種系統(tǒng)的一個(gè)示例。系統(tǒng)10可以包括重整器子系統(tǒng)32和燃料電池子系統(tǒng)34。燃料電池子系統(tǒng)34可包括高溫PEM燃料電池16。空氣風(fēng)機(jī)76可以與燃料電池16流體連通。在這種情況下，可以使用來自重整器(未示出)和/或燃燒器78的廢氣來實(shí)現(xiàn)水回收。來自燃料電池16的陽極廢氣38可以供應(yīng)到燃燒器78。來自燃燒器78的熱量可以被供應(yīng)到蒸汽重整器74。被加熱的廢氣38可以以熱交換的關(guān)系通過熱交換器80。然后,廢氣38可以通過水捕集器82，該水捕集器82可以從廢氣38收集水。來自水捕集器82的水可以存儲(chǔ)在水儲(chǔ)存器50中。在水被提取之后，廢氣38可以排出到大氣。水儲(chǔ)存器50可以與諸如蒸汽重整器74的燃料處理器14流體連通。在一個(gè)實(shí)施例中，來自儲(chǔ)存器50的水可以以熱交換的關(guān)系通過熱交換器80以形成蒸汽。該蒸汽可以供應(yīng)到蒸汽重整器74。系統(tǒng)可以包括數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)68、傳感器70和控制器72。關(guān)于圖4中所示的實(shí)施例所做的數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)68、傳感器70和控制器72的以上描述等同地可應(yīng)用于圖5的實(shí)施例。然而，應(yīng)該注意到，在該實(shí)施例中，燃料處理器14不具有空氣供給。因此，控制器72可以調(diào)節(jié)進(jìn)入燃料處理器14的燃料流率和/或水流率。
本文描述的系統(tǒng)可以提供顯著的優(yōu)點(diǎn)。例如，與等量里程的僅有電池的電動(dòng)車輛相比，該系統(tǒng)可以允許車輛以可能較低的成本具有高得多的駕駛里程。另外，將電池組、高溫PEM燃料電池和燃料處理器集成到單個(gè)系統(tǒng)能夠允許車輛是燃料靈活的，也就是說，車輛能夠以寬范圍的燃料來補(bǔ)給而不需要改變系統(tǒng)中的硬件。適用于燃料電池系統(tǒng)的燃料的例子包括汽油、柴油、源于生物的燃料、甲醇、乙醇、丙烷、丁烷和天然氣和/或酒精，僅舉出一些可能情況。燃料可以是任何含有氫的燃料、碳?xì)浠衔锶剂匣蛑T如氨的其它氫燃料源?？赡艿娜剂系睦影ㄆ?、柴油、E-85、E-100、甲醇和生物柴油。燃料可以是不同燃料的組合。這些燃料可以一起添加或不同時(shí)間添加。這些對(duì)現(xiàn)有系統(tǒng)的改進(jìn)是可能的，因?yàn)橄到y(tǒng)能夠增加構(gòu)件之間的協(xié)同過程并且降低技術(shù)限制。系統(tǒng)可以獲得所有其它系統(tǒng)中的操作性和性能的擴(kuò)展。例如，系統(tǒng)可以確保電池中的充足的能量存儲(chǔ)以便完成(或接近完成)平均駕駛里程，降低車輛為了實(shí)現(xiàn)一定的駕駛里程所必須攜帶的燃料的量。電池組可以提供大部分的車輛電功率需求，而燃料電池可以支持平均駕駛循環(huán)功率需求或平均每日車輛功率需求。結(jié)果，與純?nèi)剂想姵剀囕v相比，燃料電池所需的功率輸出降低了。燃料電池功率需求降低導(dǎo)致較低的燃料電池發(fā)生器成本。另夕卜，這降低了重整器的尺寸和成本。此外，電池可以減小或消除對(duì)于來自燃料電池的可變功率輸出以及來自重整器的可變氫輸出的需要。重整器中的燃料靈活性的主要障礙是由于能夠重整可變的燃料混合物的催化反應(yīng)器以及流體流設(shè)計(jì)的復(fù)雜性。然而，對(duì)于重整器建立單一或一系列獨(dú)立的氫輸出流率能夠顯著地簡化用于燃料混合物的反應(yīng)器設(shè)計(jì)。這還可以消除重整器中的調(diào)節(jié)比問題。結(jié)果，重整器催化劑床可以被設(shè)計(jì)為滿足燃料混合物的變化來實(shí)現(xiàn)一定的氫流率而不需要考慮重整器中的瞬態(tài)熱特性。作為重整器起動(dòng)過程的一部分，PID (比例積分微分)控制器可以修改正確的反應(yīng)物流率來實(shí)現(xiàn)單個(gè)期望的氫流率，并且在整個(gè)操作循環(huán)中可以維持該過程。此外，消除了可變功率輸出還能夠降低燃料電池堆和相關(guān)聯(lián)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的復(fù)雜性。特別是，冷卻、反應(yīng)物流設(shè)計(jì)、尾氣燃燒器設(shè)計(jì)、以及水回收子系統(tǒng)可以針對(duì)獨(dú)立的操作條件來優(yōu)化。與僅有電池的電動(dòng)車輛相比，包括燃料電池系統(tǒng)降低了實(shí)現(xiàn)一定的駕駛里程所需要的電池?cái)?shù)量。燃料電池系統(tǒng)的能量含量是存儲(chǔ)在車輛中的燃料的含量。與大多數(shù)先進(jìn)的電池相比，使用液體燃料的重整器和燃料電池系統(tǒng)可以具有高得多的重量能量密度。因此，與設(shè)計(jì)為僅具有電池的車輛相比，能夠以較低的車輛重量實(shí)現(xiàn)期望的駕駛里程。使用高溫PEM燃料電池系統(tǒng)通過擴(kuò)展重整物氣流中的可接受的氫、一氧化碳和硫化氫濃度的范圍而允許系統(tǒng)中的燃料靈活性。高溫PEM燃料電池能夠在120°C至200°C之間的溫度操作，因此，容易受到重整物質(zhì)量變化的燃料電池的水平被降低并且造成重整物質(zhì)量變化的燃料的變化不會(huì)損害或顯著地妨礙燃料電池的性能。此外，使用高溫PEM燃料電池系統(tǒng)可以消除對(duì)昂貴的氫清除方案的需要，諸如鈀薄膜、變壓吸附器以及擇優(yōu)氧化器。燃料電池系統(tǒng)的存在可以降低快速充電電池組的復(fù)雜性。電池充電中的涓流充電是需要最長時(shí)間量的部分。這部分可利用燃料電池系統(tǒng)來完成，因此降低了車輛需要連接到電網(wǎng)的時(shí)間。電動(dòng)車輛的氣候控制的損失可以被消除或降低。氣候控制(AC和客艙加熱)消耗很大一部分的車輛能量。因此，使用氣候控制降低了車輛的駕駛里程。在冬季月份中對(duì)電池再充電的同時(shí)，高溫PEM燃料電池系統(tǒng)和重整器可以將熱量提供給客艙。如果在駐車的 同時(shí)進(jìn)行再充電，則使用者可以在返回時(shí)獲得已經(jīng)變熱和調(diào)節(jié)過的車輛。在夏天，燃料電池系統(tǒng)可以支出操作車輛的空氣調(diào)節(jié)單元所需的能量。由于電動(dòng)車輛可能首先以隊(duì)伍的方式部署來服務(wù)個(gè)人、郵局、和警察局，因此，這些車輛可能要求長時(shí)間地在調(diào)節(jié)車輛客艙的同時(shí)怠速的能力。燃料電池的存在可以允許進(jìn)行該操作。盡管已經(jīng)參照示例性實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了描述，但本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以理解的是，在不脫離本文的實(shí)施例的范圍的情況下，可以進(jìn)行各種變化，以及對(duì)其元件進(jìn)行等同替換。另外，根據(jù)本文實(shí)施例的教導(dǎo)，可做許多變形以適應(yīng)特定情況或材料，這些都不會(huì)脫離本發(fā)明的實(shí)質(zhì)范圍。因此，應(yīng)該懂得，本文的實(shí)施例不限于僅以示例的方式給出的本文所公開的具體細(xì)節(jié)，可以在以下權(quán)利要求的范圍內(nèi)進(jìn)行各種變化和改變。
權(quán)利要求
1.一種燃料靈活的燃料電池系統(tǒng)，包括 包括至少一種包含氫的燃料的燃料源； 與所述燃料源流體連通的燃料處理器，所述燃料處理器由從所述燃料源接收到的至少一種包含氫的燃料產(chǎn)生氫，其中，所述燃料處理器不使用選擇性氧化器來移除CO ； 用于所述燃料處理器的加熱器；以及 至少一個(gè)高溫PEM燃料電池，所述燃料電池能夠操作在至少100攝氏度的溫度，所述燃料電池操作在瞬態(tài)情況和穩(wěn)態(tài)情況下，所述燃料處理器與所述燃料電池流體連通，使得由所述燃料處理器產(chǎn)生的氫被供應(yīng)到所述燃料電池， 其中，在所述燃料電池的瞬態(tài)情況和穩(wěn)態(tài)情況期間，氫都從所述燃料處理器供應(yīng)到所述燃料電池。
2.如權(quán)利要求I所述的系統(tǒng)，其中，所述燃料處理器是自熱重整器。
3.如權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)，其中，所述燃料處理器是微塊自熱重整器。
4.如權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)，其中，所述燃料處理器是大塊自熱重整器。
5.如權(quán)利要求I所述的系統(tǒng)，其中，所述燃料處理器是蒸汽重整器。
6.如權(quán)利要求I所述的系統(tǒng)，其中，所述燃料處理器能夠操作在至少大約600攝氏度的溫度。
7.如權(quán)利要求I所述的系統(tǒng)，其中，在穩(wěn)態(tài)情況下，所述燃料電池操作在從大約120攝氏度至大約200攝氏度的范圍中。
8.如權(quán)利要求I所述的系統(tǒng)，其中，所述燃料源包括多種包含氫的燃料。
9.如權(quán)利要求I所述的系統(tǒng)，其中，所述系統(tǒng)還包括數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)，所述數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)操作地連接以便接收所述燃料處理器的溫度數(shù)據(jù)。
10.如權(quán)利要求9所述的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)還包括操作地連接到所述數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)的控制器，其中，所述控制器基于所述燃料處理器的溫度數(shù)據(jù)來調(diào)節(jié)進(jìn)入所述燃料處理器的燃料流率、空氣流率和水流率中的至少一個(gè)，從而優(yōu)化系統(tǒng)效率。
11.如權(quán)利要求10所述的系統(tǒng)，其中，所述控制器在不斷開所述燃料處理器和所述燃料電池之間的流體連通的情況下調(diào)節(jié)進(jìn)入所述燃料處理器的燃料流率、空氣流率和水流率中的至少一個(gè)。
12.如權(quán)利要求9所述的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)還包括操作地連接到所述數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)的控制器，其中，所述控制器基于所述燃料處理器的溫度數(shù)據(jù)來調(diào)節(jié)從所述燃料電池提取電流的速率。
13.如權(quán)利要求I所述的系統(tǒng)，其中，所述系統(tǒng)還包括數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)，所述數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)操作地連接以便接收所述高溫PEM燃料電池的電壓數(shù)據(jù)。
14.如權(quán)利要求13所述的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)還包括操作地連接到所述數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)的控制器，其中，所述控制器基于所述高溫PEM燃料電池的電壓來調(diào)節(jié)進(jìn)入所述燃料處理器的燃料流率、空氣流率和水流率中的至少一個(gè)，從而優(yōu)化系統(tǒng)效率。
15.如權(quán)利要求14所述的系統(tǒng)，其中，所述控制器在不斷開所述燃料處理器和所述燃料電池之間的流體連通的情況下調(diào)節(jié)進(jìn)入所述燃料處理器的燃料流率、空氣流率和水流率中的至少一個(gè)。
16.如權(quán)利要求14所述的系統(tǒng)，其中，所述控制器和所述數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)中的一個(gè)操作地連接到查詢表數(shù)據(jù)庫來確定進(jìn)入所述燃料處理器的燃料流率、空氣流率和水流率中的至少一個(gè)。
17.如權(quán)利要求13所述的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)還包括操作地連接到所述數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)的控制器，其中，所述控制器基于所述高溫PEM燃料電池的電壓來調(diào)節(jié)從所述燃料電池提取電流的速率。
18.如權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)，其中，來自所述至少一個(gè)高溫PEM燃料電池的陰極排氣被直接引入所述自熱重整器，由此可以回收在所述至少一個(gè)高溫PEM燃料電池中產(chǎn)生的水。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種車輛功率裝置，其包括操作地連接到電池組的高溫PEM燃料電池系統(tǒng)。功率調(diào)節(jié)器操作地連接在PEM燃料電池系統(tǒng)和電池組之間。該系統(tǒng)可以包括燃料處理器，諸如蒸汽重整器或自熱重整器。重整器可以設(shè)計(jì)成使得它可以重整寬范圍的燃料。與等量里程的僅有電池的電動(dòng)車輛相比，該系統(tǒng)能夠以可能較低的成本提供具有高得多的駕駛里程的車輛。將這些構(gòu)件集成到單個(gè)系統(tǒng)中還允許車輛是燃料靈活的，也就是說，能夠以寬范圍的燃料來補(bǔ)給而不需要改變系統(tǒng)中的硬件。
文檔編號(hào)C01B3/02GK102725901SQ201080063032
公開日2012年10月10日 申請日期2010年12月3日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月3日
發(fā)明者D.A.貝茨, J.布勞恩, M.富赫斯, M.格雷厄姆 申請人:能源燃料公司