CN101281972A - 在水可能发生冻结的条件下启动燃料电池的方法 - Google Patents

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Abstract

一种在水可能发生冻结的条件下启动燃料电池的方法，所述方法包括启动燃料电池堆并且在所述燃料电池堆中产生热量以便对于每次启动而言使所述燃料电池堆的温度都升高至高于0℃从而在关闭前消除所述燃料电池堆中的冰。

Description

在水可能发生冻结的条件下启动燃料电池的方法
技术领域
本发明的披露内容主要涉及的领域包括运行燃料电池的方法。
背景技术
燃料电池堆可被用于车辆中，其中燃料电池堆暴露于接近或低于0℃的温度中。在接近或低于0℃的温度下运行的燃料电池堆产生了可能发生冻结的水。冰可能会填满阴极电极的所有空隙容积从而导致出现氧匮乏，在出现所述氧匮乏的情况下燃料电池堆将不能产生任何功率。图1示出了在-20℃和-15℃的温度下在0.1A/cm2条件下的冷冻启动电压曲线图。对于铂的担载量为0.4mg/cm2的具有12μm的厚度和0.65的孔隙率的典型电极而言，电极的持冰容量(ice holding capacity)为约8.3C/cm2(其中C是库伦)。典型的膜(18μm、1100EW且dλ＝10)的持冰容量为约6.3C/cm2，所述典型的膜例如为可从Gore，Inc.得到的那些膜。因此，通过低于0℃的燃料电池堆的最大电荷将为约8.3-14.6C/cm2。
发明内容
本发明的一个实施例包括一种方法，所述方法包括：运行燃料电池堆，所述运行包括启动具有低于0℃的温度的燃料电池堆并且获取(draw)燃料电池上的负载，所述负载在从燃料电池堆所能够对应的最大负载的75％至所述最大负载的范围内，其中所述最大负载受到燃料电池系统约束的限制。所提供的功率可大于操作者驱动初级装置和辅助装置所需的功率，由此将所述燃料电池堆尽可能迅速地加热至高于0℃的温度。
本发明的另一实施例包括控制车辆中的燃料电池堆的运行，所述控制包括在顾客需要关闭燃料电池系统时测量所述燃料电池堆的温度，且如果所述燃料电池堆的温度高于用于对所述燃料电池堆进行吹扫的预定吹扫温度，则关闭所述燃料电池堆，且如果所述燃料电池堆的温度低于所述预定吹扫温度，则继续运行所述燃料电池堆并且从所述燃料电池堆获取负载，从而使得所述燃料电池堆发热直至所述燃料电池堆的温度高于所述预定吹扫温度且其后关闭所述燃料电池堆。
通过下文提供的详细描述将易于理解本发明的其它典型实施例。应该理解：尽管该详细描述和特定实例披露了本发明的典型实施例，但该详细描述和特定实例仅旨在实现说明的目的而并不旨在限制本发明的范围。
附图说明
通过详细描述和附图将更充分地理解本发明的典型实施例，其中：
图1示出了燃料电池堆的冷冻启动电压曲线图；
图2是燃料电池堆的发热速率和产物水的产生速率与电流密度之间的关系曲线图；
图3是燃料电池堆在零度以下的温度下的极化曲线图；
图4是示出了根据本发明的一个实施例的燃料电池堆的运行控制方法的流程图；
图5示出了燃料电池堆的启动曲线图，图中标示出了电流密度、电池电压、电池温度和燃料电池堆功率与启动时间的关系；
图6是用于在燃料电池堆中进行除水的吹扫时间与温度的关系曲线图；和
图7示出了根据本发明的一个实施例的燃料电池系统。
具体实施方式
下面对一个或多个实施例进行的描述在本质上仅是示例性的且绝不旨在限制本发明或其应用或使用。
本发明的一个实施例包括运行燃料电池堆，所述运行包括在阴极电极被冰填充之前在启动过程中使燃料电池堆的温度达到高于0℃的温度。这可能需要总的电荷Qtotal等于8-15C/cm2。基于下面的热平衡方程式：
Tstack(t)-Tstack(initial)＝Qtotal·(1.4V-Ecell)/(m·Cp)
其中Tstack(t)表示在启动过程中任意给定时间的燃料电池堆的温度、Tstack(initial)表示在启动开始时的燃料电池堆的温度、Qtotal表示通过燃料电池堆的总电荷、Ecell表示平均电池电压且mCp表示燃料电池堆的热质量。对于可允许的总电荷而言的燃料电池堆的最大温升取决于燃料电池堆的热质量和启动过程中的电池电压。因此，为了使启动可靠性最大化，根据本发明的一个实施例，应该发生最快可能的温升。这可通过施加最大负载来实现，正如稍后详细描述地那样，所述最大负载受到燃料电池系统约束的限制。由燃料电池堆产生的不为初级负载装置如电力牵引系统(ETS)所需要的过多能量可用来驱动辅助装置如空气压缩机、座舱加热器、冷却剂加热器、燃料电池堆加热器等，或可被贮存在贮存装置如蓄电池中。由燃料电池堆中的反应所产生的热量可用来使燃料电池堆发热，以便使在燃料电池中形成的冰被融化。加热发生在对冻结最敏感的部位即阴极电极处。
燃料如氢可被供应至燃料电池的阳极侧且氧化剂如以空气形式存在的氧可被供应至燃料电池的阴极侧。在阴极催化剂电极处以本领域技术人员已公知的方式产生了水。
由于可被贮存在电极中的冰的总量仅折合总计为等于8-15C/cm2的Qtotal，因此，只有当启动过程中的温度超过0℃时才可能进行多次冷冻启动从而防止冰积聚在电极中。因此，成功的多次冷冻启动需要燃料电池堆在每次启动过程中都超过0℃的温度。这可通过使每次启动过程中的电池电压最小化并且贮存所产生的过多能量直至燃料电池堆温度大于0℃的做法来实现。
在本发明的一个实施例中，例如通过微控制器对燃料电池进行控制，以使得在每次0℃以下的启动过程中，获取最大的负载从而使燃料电池堆尽可能迅速地发热。从燃料电池堆获取的最大负载将受到燃料电池系统约束的限制。获取的负载越高，燃料电池堆电压越低，使得因此可产生更多的废热从而使燃料电池堆发热且使积聚在电极中的任何冰发生融化。当燃料电池堆被加热至高于0℃的温度时，可在关闭之后将液体水更高效地吹扫出燃料电池堆。尽管获取燃料电池上更高的负载导致形成了更多的产物水，但在更高的负载下，燃料电池堆比水的产生速率更快地发热，正如从图2中所证实地那样。进一步地，由于在电极处产生了废热，因此积聚在电极中的冰可高效地被融化。
在本发明的一个实施例中，由燃料电池堆在启动过程中产生的能量可被用来驱动补充加热装置，所述补充加热装置包括，但不限于，对燃料电池堆进行直接或间接加热的电加热器。在另一可选实施例中，燃料电池系统不包括补充加热装置。燃料电池堆的加热仅通过内部发热来实现。如果燃料电池堆负载有高电流，则由于欧姆和电化学损失导致出现的这种发热可能是显著的。通常情况下会存在高电流负载和低电流负载，该高电流负载和低电流负载将提供特定功率，如图3所示。低负载是更高效的条件且导致出现了最低的热发生量，且高负载效率最差且导致出现了更高的热发生量。因此，为了实现迅速加热，燃料电池堆可在其最高可能的电流负载下运行。然而，这必须与下面的系统约束相平衡，该系统约束可限制电流负载和可从燃料电池堆中获取的功率输出：(1)基于系统电子需求的最小电池电压；(2)基于系统限制例如在空气压缩机的容量下的最大电流密度；(3)基于系统需求的最大功率发生量；和(4)防止燃料电池堆受损的最大可允许的燃料电池堆温度。
对于单个电池的电压和燃料电池堆的平均电池电压而言都存在最小限制。最小电池电压(Vcell)被限制为零，而燃料电池堆的平均电池电压(Vavg)必须大于零以便满足系统的电压需求和功率需求。电池通常在冷冻启动过程中不会均匀地运行，且因此最小电池电压和平均电压可能有所不同。这些参数的典型范围可能如下：Vcell＞0；Vavg＞0.3V。
最大电流密度受到系统设计的限制，所述系统设计将对电流和流量有所限制。由于系统设计存在很大差别，因此最大电流密度的范围可从0.6A/cm2改变至2.0A/cm2。然而，对于汽车应用而言，最大电流密度通常低于1.6A/cm2。
可获取的最大功率还将取决于系统设计且还受到系统辅助功率需求的影响，所述系统辅助功率需求包括在启动过程中运行的压缩机、加热器和泵，以及能量贮存装置如蓄电池的型号。对于混合汽车系统和非混合汽车系统而言，启动功率和空转功率可在20-40kW的范围内。
为了实现成功的冷冻启动，在关闭之后必须从燃料电池堆中去除足够量的积聚水。积聚的水将取决于燃料电池堆的设计、系统运行条件和运行时间。结果是，积聚水的量可能变化很明显。通常情况下，阴极空气吹扫被用来去除该积聚的水且吹扫时间将取决于空气流量和燃料电池堆温度。吹扫时间随着空气流速和温度的增加而减少。由于为吹扫分配的能量有限，因此必需的吹扫时间非常重要。例如，如图6所示，如果由于功率限制而使得吹扫时间限于30秒，则必需的吹扫温度可根据燃料电池堆中起初积聚的水而明显变化。在这种情况下，如果燃料电池堆具有少量的水积聚，则最小的吹扫温度将为38℃，且吹扫温度随着水积聚的增加而提高。对于该固定吹扫时间而言，所需的吹扫温度可在30-95℃的范围内。上限温度应该受到限制以便防止对电池的膜产生损伤。然而，通过适当的燃料电池堆运行和设计，可使水积聚最小化且可将上限温度范围降低至例如70℃及以下的温度。
现在参见图4，在本发明的一个实施例中，可通过在车辆驾驶员或操作者需要关闭燃料电池堆时测量燃料电池堆的温度从而控制燃料电池系统。如果燃料电池堆的温度高于预定吹扫温度，则燃料电池堆可被关闭并从燃料电池堆中吹扫出水。预定吹扫温度优选为高于0℃的温度，从而使得燃料电池堆且特别是阴极中没有冰。然而，如果燃料电池堆的温度低于预定吹扫温度，则使系统运行以便继续获取负载并且使燃料电池堆进一步发热。随后测量燃料电池堆的温度并且持续地获取负载，以使燃料电池堆发热，直至燃料电池堆的温度超过预定吹扫温度的时候。其后，燃料电池被关闭(即，供往燃料电池堆的燃料流被停止)且例如通过将来自空气压缩机的空气吹送通过燃料电池堆达到足以去除燃料电池堆中相当大部分的水的时间而从燃料电池中吹扫出水。燃料电池堆优选仅在燃料电池堆的温度高于0℃时才被关闭。
图5示出了系统启动的一个实例，其中顾客在时间A前需要关闭系统，其中燃料电池堆的温度低于所需吹扫温度且产生的功率低于最大可允许功率以满足辅助功率需求。为了使得能够进行可靠且可重复的启动，负载将被持续获取以便使燃料电池堆发热。在时间A之前，功率迅速增加，而将平均电池电压限于最小电压例如0.3V且将单个电池电压限于高于0V的电压。在此期间，燃料电池堆在最不高效的负载下运行，所述最不高效的负载使得产生了更多的热量从而使燃料电池堆的温度例如从-20℃相对迅速地升高。在时间A处，达到了最大可允许的功率发生量，其后电流负载必须被降低。这样就提高了燃料电池堆的效率、降低了热发生量、且降低了温升速率。随着温度的继续升高，可利用冷却剂流来防止燃料电池堆达到致损温度。在本发明的一个实施例中，为了使温升最大化，在实现最大可允许温度或达到足够的吹扫温度之前并不利用冷却剂流。为了确定足够的吹扫温度，需要获得可允许吹扫流量、吹扫能量以及关闭之前电池中估计的水积聚量。通过该信息，可确定必要的燃料电池堆吹扫温度。例如，如图6所示，对于对应于30秒的可允许吹扫能量而言，所需的燃料电池堆吹扫温度随着关闭之前水积聚量的增加而升高。
在进行短期旅行的情况下，驾驶员可能使车辆在数分钟内处于闲置状态并随后关闭车辆。在这种短期期间中，由于在冬季，电力牵引系统(ETS)和辅助设备可能需要少量的功率，因此利用化学反应的废热可能无法使燃料电池堆的温度达到高于0℃的温度。因此，产物水将以冰的形式积聚在阴极电极的空隙容积中。由于空气的载水容量在零度以下的条件下是极低的，因此在关闭之后对燃料电池堆进行吹扫不大可能去除电极中积聚的冰。在经过数次这种短期旅行之后，由于积聚的冰堵塞了阴极电极中的全部空隙，因此燃料电池堆将不能产生任何功率，这对于顾客来说是非常不希望出现的，因为这会妨碍车辆的运行。该效应将随着启动温度的降低(例如-40℃)而恶化。根据本发明的一个实施例，通过一种方法解决了该问题，所述方法在关闭燃料电池堆之前将燃料电池堆加热至高于0℃的温度从而使得燃料电池堆的阴极电极中的空隙并未完全被冰堵塞且使得氧可扩散至阴极电极的催化剂表面。
现在参见图7，本发明的一个实施例包括燃料电池系统10，所述燃料电池系统包括燃料电池堆12和被连接至燃料电池堆12以便被燃料电池堆产生的电力驱动的多个装置。这些装置可包括，但不限于，初级负载装置14如用来推进车辆的电动马达或电力牵引系统、冷却剂加热器16、空气压缩机18、车辆乘客座舱加热器20、附加的辅助装置22、电能贮存装置24如蓄电池和燃料电池堆加热器26。燃料电池堆12和装置14、16、18、20、22、24、26可通过开关连接在电路中以便允许根据需要且根据在此披露的各种方法而通过来自燃料电池堆的电力选择性地驱动不同装置。电加热元件26可被设置在燃料电池堆12中。例如，电加热元件26可被连接至燃料电池堆12的双极板或端板或被设置在所述双极板或端板中或上。控制器28如微处理器被设置以便控制燃料电池堆12以及装置14、16、18、20、22、24和26的运行。
本发明的一个实施例包括一种方法，所述方法包括将由燃料电池产生的过多电力贮存在贮存装置中。本发明的另一实施例包括一种方法，所述方法包括利用由燃料电池产生的对于驱动驾驶员需要的初级装置和辅助装置而言并不需要的过多电力而在高于响应于在燃料电池堆上获取的负载而将过多空气传输至燃料电池堆所需的速度的速度下驱动空气压缩机。供往燃料电池堆的过多空气是所希望的以便使启动过程中冰和液体水的导出最大化。本发明的另一实施例包括一种方法，其中燃料电池堆包括用于加热燃料电池堆的电加热元件。本发明的另一实施例包括一种方法，其中燃料电池液体冷却剂系统被连接至燃料电池堆以便使冷却剂流动通过其中，且电加热元件被设置在冷却剂系统中，且所述方法进一步包括对加热元件进行加热以便对冷却剂系统中的冷却剂进行加热并且使冷却剂流动通过燃料电池堆以便对燃料电池堆进行加热。
上面对本发明的实施例进行的描述在本质上仅是示例性的且因此对所述实施例作出的变化不被视为偏离了本发明的精神和范围。

Claims (19)

1、一种方法，所述方法包括运行燃料电池堆，所述运行包括启动具有低于0℃的温度的燃料电池堆并且获取燃料电池上的负载，所述负载在从所述燃料电池堆所能够对应的最大负载的75％至所述最大负载的范围内，其中所述最大负载受到燃料电池系统约束的限制，且其中所述获取的负载大于操作者驱动初级装置和辅助装置所需的功率，并且继续以至少大于操作者所需量的量获取所述负载直至所述燃料电池堆的温度高于0℃。
2、根据权利要求1所述的方法，其中所述系统约束包括单个电池电压＞0V且平均燃料电池堆电池电压＞0.3V。
3、根据权利要求1所述的方法，其中所述系统约束包括在0.6A/cm2-2.0A/cm2的范围内的最大电流密度。
4、根据权利要求1所述的方法，其中所述系统约束包括在20-40KW范围内的在零度以下的启动过程中的最大功率发生量。
5、根据权利要求1所述的方法，其中所述系统约束包括30-95℃的所需燃料电池堆吹扫温度。
6、根据权利要求5所述的方法，其中所述所需吹扫温度是由吹扫空气流量、可允许的吹扫能量和积聚的水量来决定的。
7、根据权利要求1所述的方法，进一步包括仅当在关闭时没有冰被保持在所述燃料电池堆的阴极电极的空隙中的情况下才关闭所述燃料电池堆。
8、根据权利要求1所述的方法，其中所述燃料电池堆在关闭时基本上没有冰。
9、根据权利要求1所述的方法，进一步包括在所述燃料电池堆的温度高于0℃时从所述燃料电池堆中吹扫出水。
10、根据权利要求5所述的方法，进一步包括在关闭前对所述燃料电池堆进行吹扫，所述吹扫包括将气体吹送通过所述燃料电池堆。
11、根据权利要求10所述的方法，其中所述气体包括空气。
12、根据权利要求1所述的方法，其中所述负载包括由车辆的电力牵引系统获取的初级负载。
13、根据权利要求1所述的方法，进一步包括将由所述燃料电池产生的过多电力贮存在贮存装置中。
14、根据权利要求1所述的方法，进一步包括利用由燃料电池产生的对于驱动操作者需要的初级装置和辅助装置而言并不需要的过多电力而在高于响应于在所述燃料电池堆上获取的负载而将过多空气传输至所述燃料电池堆所需的速度的速度下驱动空气压缩机。
15、根据权利要求1所述的方法，其中所述燃料电池堆包括位于其中的电加热元件且所述方法进一步包括对所述燃料电池堆中的所述加热元件进行加热以便对所述燃料电池堆进行加热。
16、根据权利要求1所述的方法，进一步包括燃料电池液体冷却剂系统，所述燃料电池液体冷却剂系统被连接至所述燃料电池堆以便使冷却剂流动通过其中，和位于所述冷却剂系统中的电加热元件，且所述方法进一步包括对所述加热元件进行加热以便对所述冷却剂系统中的所述冷却剂进行加热并且使所述冷却剂流动通过所述燃料电池堆以便对所述燃料电池堆进行加热。
17、根据权利要求1所述的方法，进一步包括燃料电池液体冷却剂系统，所述燃料电池液体冷却剂系统被连接至所述燃料电池堆以便使冷却剂流动通过其中，且可对供往所述燃料电池堆的冷却剂流速进行调节以便防止所述燃料电池堆在启动过程中出现过热。
18、根据权利要求1所述的方法，其中仅当温度高于0℃时才关闭所述燃料电池堆。
19、一种方法，所述方法包括：
控制车辆中的燃料电池堆的运行，所述控制包括在顾客需要关闭所述燃料电池堆时测量所述燃料电池堆的温度，且如果所述燃料电池堆的温度高于用于对所述燃料电池堆进行吹扫的预定吹扫温度，则关闭所述燃料电池堆，且如果所述燃料电池堆的温度低于所述预定吹扫温度，则继续运行所述燃料电池堆并且从所述燃料电池堆获取负载，从而使得所述燃料电池堆发热直至所述燃料电池堆的温度高于所述预定吹扫温度且其后关闭所述燃料电池堆。
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