CN101098020A - 燃料电池系统冻结性能的水管理策略 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种燃料电池系统冻结性能的水管理策略。一种燃料电池系统，该系统采用在系统停止之后根据预定输入例如环境温度、地理位置、用户使用状况、日期、天气预报等，来确定是否存在冻结条件的可能性的方法。如果系统确定有冻结条件的可能性，然后系统引发燃料电池系统的净化停止，将水净化出反应气体流动通道。如果系统确定冻结条件不可能，然后开始正常停止程序而无需净化流动通道。然后系统将周期性确定条件是否发生改变，如果随后冻结条件变为可能，则将开始净化。

Description

燃料电池系统冻结性能的水管理策略
技术领域
本发明一般涉及采用下面算法的燃料电池系统，该算法用于确定在系统停止之后燃料电池堆中产生的水是否易于冻结，如果易于冻结，进行堆净化；更具体地，本发明涉及采用下面算法的燃料电池系统，该算法周期性确定系统停止之后是否存在零度以下的条件来选择性进行堆净化。
背景技术
由于氢气是清洁的并且能用于在燃料电池中有效地产生电能，因此它是非常有吸引力的。氢燃料电池是包括阳极、阴极和它们之间的电解质的电化学装置。阳极接收氢气，阴极接收氧气或空气。氢气在阳极离解产生自由氢质子和电子。氢质子通过电解质传递到阴极。氢质子与氧和阴极中的电子反应产生水。阳极产生的电子不能通过电解质传递，而是在到达阴极之前直接通过负载进行工作。
质子交换膜燃料电池(PEMFC)是机动车辆的热门燃料电池。PEMFC一般包括固体电解质质子传导膜，例如全氟磺酸膜。阳极和阴极典型地包括担载在碳颗粒上的细碎催化剂颗粒并与离聚物混合，所述催化剂颗粒一般是铂(pt)。催化混合物沉积在膜的相对的两面上。阳极催化混合物、阴极催化混合物和膜的组合限定膜电极组件(MEA)。制造MEA相对昂贵并且有效运行需要特定的条件。
在燃料电池堆中通常将若干个燃料电池组合在一起以产生所需功率。例如，机动车辆的典型的燃料电池堆可以有两百或更多堆叠的燃料电池。燃料电池堆接收阴极输入气体，通常是通过压缩机被迫通过堆的空气流。并不是所有的氧气都被堆消耗，一些空气作为包括作为堆副产物的水的阴极废气排出。燃料电池堆也接收流入到堆阳极侧的阳极氢输入气体。
燃料电池堆包括一系列设置在堆中若干个MEA之间的双极板。双极板包括堆中相邻燃料电池的阳极侧和阴极侧。阳极气体流动通道设置在双极板的阳极侧以允许阳极反应气体流入到各自的MEA中。阴极气体流动通道设置在双极板的阴极侧，其允许阴极反应气体流入到各自的MEA中。双极板由导电材料例如不锈钢制成，因此它们能够将燃料电池产生的电传导到堆外。双极板还包括冷却流体流的流动通道。
如本领域技术人员所公知，燃料电池运行在根据燃料电池堆运行温度的特定相对湿度和堆内压力下以提供有效的堆运行。而且，堆产生产物水。因此，当燃料电池堆停止时，堆中的MEA具有特定量的湿气。如果燃料电池系统碰巧在零度以下的环境中，这些湿气会冻结，这可以损坏MEA、扩散介质、板和/或垫片。因此，在现有技术中已知的是，在系统停止时干燥燃料电池堆和其中的膜，从而防止堆由于冻结导致的损坏。
在一种现有技术中，通过压缩机迫使干燥的空气通过堆来净化(purge)水并干燥堆。由于产物水在MEA的阴极侧存在大部分的湿气，然而，由于MEA是湿润的并且湿气通过MEA从阴极侧扩散到阳极侧，因此MEA的阳极侧也有一些湿气。因此，为了干燥的目的，堆干燥技术直接将阴极空气通过阳极通道。在现有技术中已知各种净化阳极流动通道和/或阴极流动通道的方法论。在已知技术中，燃料电池堆的电力用于运行压缩机提供空气净化。然而，作这些需要燃料。可选择地，可以使用电池组的能量供应净化。然而，这减少了电池组存储的能量。
优选如果堆中的产物水不冻结，不进行净化反应气体流动通道，因为净化使膜干燥，潜在地降低了它们的寿命，并且需要能量来运行压缩机来提供净化。因此，期望在机动车辆停止之后预测它是否会经受冻结条件。
发明内容
根据本发明的教导，公开了一种燃料电池系统，其使用这样的方法，该方法确定系统停止之后根据预定输入(例如环境温度、地理位置、日期、天气预报等)来确定冻结条件的可能性。如果系统确定冻结条件是可能的，那么系统开始燃料电池系统的净化停止，其中水和水蒸气被净化出阳极流动通道和/或阴极流动通道。如果系统确定冻结条件是不可能的，那么开始正常的停止程序，无需净化阳极流动通道和/或阴极流动通道。然后系统将周期性确定条件是否改变，如果随后冻结条件变成是可能的，则将开始反应气体流动通道的净化。如果系统包括保温策略和存在可能的冻结条件，然后系统将确定是否具有足够的燃料和/或电池组能量来执行保温策略，如果为否，则进行流动通道净化。
系统可以包括低功率唤醒计时电路来周期性唤醒发动机控制器以确定停止之后冻结条件的可能性是否改变。可选择地，系统可以包括确定温度的低功率唤醒检测电路，而不是使用高功耗的发动机控制器来确定停止之后冻结可能性是否改变。
结合附图，从下面的说明和所附权利要求中本发明的其他特征将变得显而易见。
附图说明
图1是示出根据本发明一个实施方案的确定燃料电池系统停止时是否存在可能的冻结条件和如果存在则进行净化反应气体流动通道的过程的流程图；
图2是根据本发明一个实施方案的周期性通知发动机控制器确定系统停止之后可能的冻结条件是否改变的唤醒计时电路的示意图；以及
图3是根据本发明的另一个实施方案的如果系统停止之后温度下降到预定阈值温度之下唤醒发动机控制器的唤醒检测电路的示意图。
具体实施方式
下面的本发明实施方案的讨论这样的系统和方法，它们用于确定在燃料电池系统停止时是否存在可能的冻结条件，如果为是，则进行净化；这些讨论实际上只是示例性的，并不意在限定发明或其应用或用途。
图1是流程图10，示出了根据本发明实施方案的方法，该方法用于在燃料电池系统停止时确定是否由于冻结条件的可能性而需要堆的净化，此后周期性地确定。算法在判定菱形(diamond)12处确定是否作出机动车辆停止请求。如果在判定菱形12处制定机动车辆停止请求，然后算法在框14处运行温度算法以确定当下冻结条件是否存在或者可能。为此目的可以使用任何适当的温度算法，例如读取提供环境温度、冷却流体温度、堆温度或其他适当温度的温度传感器。另外，算法可以使用无线通信系统，例如GM’s On-StarTM或接受GPS信号。在GM On-StarTM的实施方案中，算法能识别日期和位置以确定冻结条件的可能性，甚至接收当下的天气信息。例如，机动车辆仲夏在佛罗里达机动车辆停止之后冻结条件可能性低，而一月在密歇根机动车辆冻结条件可能性高。在GPS的实施方案中，算法识别日期和位置以确定冻结条件的可能性。
然后算法将信息提供给判定菱形16，其确定是否存在可能的冻结条件。如果存在可能的冻结条件，那么在框18中算法开始净化停止，用压缩空气净化堆中阳极侧和/或阴极侧反应气体流动通道。在净化停止期间可以进行几件事，包括绕过阴极出口处的水蒸气转换(WVT)装置、停止冷却流体流、降低燃料电池堆的压力和提供高阴极化学计量比。设计这些步骤中的一些，将液态水转化为蒸汽，例如降低系统中的压力，使其更易于从通道中清除。而且，停止冷却流体流以防止快速降低堆的温度，这有助于防止水蒸气变为液态。通过打开阴极废气反压阀降低系统的压力。供应高阴极计量比是从压缩机提供相对高空气流。通过使用燃料电池堆的电力驱动压缩机，节约了电池组的能量，然而，继续产生少量的产物水。
如果算法在判定菱形16处确定不存在可能的冻结条件，然后在框22处开始正常停止，其不包括流动通道的净化，以使下一次启动尽可能高地保持膜的湿润性。由于不知道天气条件变得有多快、机动车辆会停止多长时间，以及当机动车辆停止时它是否会被移动，因此需要周期性地确定系统停止后冻结条件的可能性是否发生改变。因此，在机动车辆停止预定长的一段时间之后，算法唤醒机动车辆电动控制器，或其他装置，以在框24处再次确定天气条件是否保证可能的冻结条件。在框24处确定可能的冻结条件是否存在的算法与框14处使用的系统规则可以是相同的，例如使用环境温度传感器、GPS接收器等。根据框24处算法确定的信息，算法随后在判定菱形26处确定是否存在可能的冻结条件。
如果在判定菱形26处不存在可能的冻结条件，之后算法将再次回到框24处的周期性唤醒程序以进行温度算法。设计并写入算法以便根据许多因素制定确定的时间间隔。制定确定冻结条件的间隔将影响在系统停止时有多大的可能性引发进行净化停止。换句话说，如果系统相对频繁地进行冻结条件确定，那么在系统停止时的初始净化决定将直到冻结条件可能性相对高时才会决定净化。在一个实施方案中，每小时制定一次决定。可选择地，根据传感器的输入，例如堆的温度和环境温度，模型可以估计适当的时间。
如果温度算法在判定菱形26处确定存在可能的冻结条件，那么算法在判定菱形28处确定机动车辆是否存在“保温”策略。当机动车辆停止时，一些燃料电池机动车辆可以包括用于操作燃料电池堆的算法，使得燃料电池堆能加热且防止堆中的产物水冻结。如果机动车辆不包括“保温”策略，那么在框30处系统重新启动以在框18处净化停止。
在判定菱形28处，如果机动车辆不采用“保温”策略，那么在判定菱形32处，算法确定是否有足够燃料和/或电池组能量来进行“保温”策略。当算法确定多少燃料和/或电池的能量是可接受的时，它应当考虑地理位置和/或用户使用状况信息。例如，算法根据到燃料站的距离作出决定。如果机动车辆不具有足够的燃料和/或电池组能量，那么算法转到系统重启框30以进行框18的净化停止操作。如果在判定菱形32处机动车辆包括足够的燃料和/或电池组能量，那么算法在框34处运行“保温”策略，然后在预定时间之后回到框24如上所述确定是否存在可能的冻结条件。本领域已知不同的进行“保温”策略的技术，包括运行燃料电池堆预定时间，或用电池组能量驱动电加热器保持堆的温度、冷却流体和/或其他元件加温预定时间周期。
图2是根据本发明实施方案的在框24处提供系统唤醒的系统40的示意图。系统40包括唤醒计时电路42和发动机控制器44。唤醒计时电路42可以是发动机控制器44的一部分。唤醒计时电路42包括计时器46和晶体管开关48。在正常条件下当发动机控制器44运转时，将高信号施加到线50上的晶体管开关48的基极以允许晶体管开关48导通。与门62的一个输入连接到晶体管开关48的集电极终端。与门62的输出是能够使信号到线52的计时器，当晶体管开关48导通时该信号为低，因此断开计时器46。其他到与门62的输入是门锁电路64的补偿输出，一般为高。
在系统停止之后当发动机控制器44关闭时，晶体管开关48不再导通以使到与门62的输入为高，并且计时器能够使线52变为高来激发计时器46。当计时器46运行预置计数时，在线54上输出高信号来设置门锁电路56并唤醒线58上的发动机控制器44，这使晶体管开关48导通并关闭计时器46。然后发动机控制器44通过确定冻结条件可能性的程序，如上所述，使用适当的传感器或其他技术。发动机控制器44通过确定冻结条件可能性程序之后，重置线60上的门锁电路56。
如果发动机控制器44确定由于冻结条件可能性改变需要堆净化，如上所述，将在线66上输出高信号来设置门锁电路64，这使门锁电路64的补偿输出变为低以使计时器46在净化之后关闭，和使发动机控制器44停止。门锁电路64的复位终端连接至机动车辆点火处，当机动车辆启动时，使门锁电路64复位。因此，发动机控制器44仅仅周期性地运转，这减少了从电池组的电力牵引。唤醒计时电路42牵引最小电力，这并不很重要。
图3是系统70的示意图，与系统40相似，其中相同的元件用相同附图标记表示。在这一实施方案中，唤醒计时电路42由唤醒检测电路72替代，该唤醒检测电路72包括晶体管开关48、与门62和门锁电路64。唤醒检测电路72也可以是发动机控制器44的一部分。唤醒检测电路72还包括温度电路74，该温度电路74在线52上被激活。温度电路74包括温度传感器76和阈值电路78。将来自温度传感器76的温度信号和来自阈值电路78的阈值信号施加到温度比较装置80上，例如op-amp。如果温度变为低于预定阈值，温度比较电路80唤醒线58上的发动机控制器44来进行净化。温度比较装置80的输出也设置门锁电路64以使唤醒检测电路72在以上述所述方式净化之后断开。值得注意的是，唤醒计时电路42和唤醒检测电路72可以设置成合并电路。
在这个实施方案中，当存在可能的冻结条件时仅仅唤醒发动机控制器44，而不是每个预定时间间隔都经历。因此，即使唤醒检测电路72可能有点昂贵并且要比唤醒计时电路42多消耗一些电力，而通过发动机控制器44确定是否存在可能的冻结条件会节约一些电力。可选择地，一旦发动机控制器44被温度比较电路80唤醒就可以核对可能的冻结条件。温度传感器76可以是紧靠燃料电池系统中任何适当结构(例如燃料电池堆中的管子)设置的热电偶线。
上述讨论仅仅公开并描述本发明的示例性实施方案。本领域的技术人员很容易从这些讨论和附图以及权利要求中认识到，可以在不脱离权利要求限定的本发明的精神和范围内作出各种改变、修改和变形。

Claims (25)

1、一种用于在燃料电池系统中选择性进行燃料电池堆净化的方法，该方法包括：
根据预定的参数确定在燃料电池系统停止时是否存在可能的冻结条件；
如果存在可能的冻结条件，净化燃料电池堆中的反应气体流动通道；
如果不存在可能的冻结条件，正常停止燃料电池系统，无需净化反应气体流动通道；
如果正常停止系统，则在正常停止之后周期地确定是否存在可能的冻结条件；以及
如果随后确定存在可能的冻结条件，则进行反应气体流动通道的净化。
2、根据权利要求1的方法，其中预定参数包括环境温度、冷却流体温度、堆温度、地理位置、用户的使用状况、日期和天气预报中的一种或多种。
3、根据权利要求1的方法，其中周期性地确定是否存在可能的冻结条件包括使用唤醒计时电路来周期性地唤醒发动机控制器来根据预定参数确定是否存在可能冻结的条件。
4、根据权利要求1的方法，其中周期性地确定是否存在可能的冻结条件包括使用唤醒检测电路，它具有提供温度测量值的温度传感器和比较测量的温度和阈值温度的比较装置，从而确定是否存在可能的冻结条件，如果存在，唤醒发动机控制器以进行净化。
5、根据权利要求1的方法，还包括如果确定在系统停止之后存在可能的冻结条件，则在进行净化之前开始保温策略。
6、根据权利要求5的方法，还包括根据预定的标准确定是否有足够的燃料或电池组能量进行保温策略，如果为否，则进行净化。
7、根据权利要求6的方法，其中预定标准选自由地理信息、用户状况信息和到燃料站的距离组成的组。
8、根据权利要求1的方法，其中燃料电池系统在机动车辆上。
9、一种燃料电池系统，包括：
含有反应气体流动通道的燃料电池堆；
用于迫使空气通过反应气体流动通道的压缩机；以及
控制燃料电池系统的控制器，所述控制器根据预定参数确定燃料电池系统停止时是否存在可能的冻结条件，如果存在可能的冻结条件，所述控制器使得压缩机净化反应气体流动通道；如果不存在冻结条件的可能性，所述控制器正常停止燃料电池系统，无需进行反应气体流动通道的净化；正常停止之后，所述控制器周期性地确定是否存在可能的冻结条件，以及如果随后确定存在可能的冻结条件，所述控制器进行反应气体流动通道的净化。
10、根据权利要求9的系统，还包括温度传感器，所述的温度传感器把温度信号提供给控制器以指示是否存在可能的冻结条件。
11、根据权利要求9的系统，还包括接收器，所述接收器接收无线信号以提供可能的冻结条件的指示。
12、根据权利要求9的系统，其中预定参数包括环境温度、冷却流体温度、堆温度、地理位置、用户的使用状况、日期和天气预报中的一种或多种。
13、根据权利要求9的系统，还包括唤醒计时电路，所述唤醒计时电路在系统停止后根据预定参数周期性唤醒所述控制器，以确定是否存在可能的冻结条件。
14、根据权利要求9的系统，还包括唤醒检测电路，所述唤醒检测电路包括用于测量温度的温度传感器，所述唤醒检测电路比较测量的温度和阈值温度以确定是否存在可能的冻结条件，如果存在，唤醒所述控制器进行净化。
15、根据权利要求9的系统，如果控制器确定在系统停止之后存在可能的冻结条件，则在进行净化之前开始保温策略。
16、根据权利要求15的系统，其中控制器确定是否有足够的燃料或电池组能量来进行保温策略，如果为否，则进行净化。
17、根据权利要求9的系统，其中燃料电池系统在机动车辆上。
18、一种用于机动车辆的燃料电池系统，所述系统包括：
含有反应气体流动通道的燃料电池堆；
用于迫使空气通过反应气体流动通道的压缩机；以及
控制燃料电池系统的控制器，所述控制器根据预定参数确定燃料电池系统停止时是否存在可能的冻结条件，如果存在可能的冻结条件，所述控制器促使压缩机净化反应气体流动通道；如果不存在冻结条件的可能性，所述控制器正常停止燃料电池系统，无需进行反应气体流动通道的净化；所述控制器在所述正常停止之后周期性确定是否存在可能的冻结条件，和如果随后确定存在可能的冻结条件，所述控制器进行反应气体流动通道的净化，如果控制器确定系统停止之后存在可能的冻结条件，在进行净化之前开始保温策略；以及
在系统停止之后用于唤醒控制器进行净化的唤醒电路。
19、根据权利要求18的系统，还包括温度传感器，所述温度传感器把温度信号提供给控制器以指示是否存在可能的冻结条件。
20、根据权利要求18的系统，还包括接收器，所述接收器接收无线信号以提供可能的冻结条件的指示。
21、根据权利要求18的系统，其中预定参数包括环境温度、冷却流体温度、堆温度、地理位置、日期和天气预报中的一种或多种。
22、根据权利要求18的系统，其中唤醒电路是唤醒计时电路，它在系统停止之后周期性唤醒控制器，以根据预定参数确定是否存在可能的冻结条件。
23、根据权利要求18的系统，其中唤醒电路是唤醒检测电路，它包括用于测量温度的温度传感器，所述的唤醒检测电路比较测得的温度和温度阈值，以确定是否存在可能的冻结条件，如果为是，则唤醒控制器进行净化。
24、根据权利要求18的系统，其中控制器根据预定的标准确定是否有足够的燃料或电池组能量来进行保温策略，如果为否，则进行净化。
25、根据权利要求24的系统，其中预定标准选自由地理信息、用户状况信息和到燃料站的距离组成的组。
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