CN101420041A - 端部电池加热器失效后提高燃料电池堆可靠性的方法 - Google Patents

端部电池加热器失效后提高燃料电池堆可靠性的方法 Download PDF

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Abstract

一种用于在燃料电池堆中出现端部电池加热器失效的情况下提高燃料电池系统可靠性的方法。所述方法包括检测端部电池加热器已经出现的失效。如果检测到端部电池加热器失效，则所述方法执行以下步骤中的一个或多个步骤：将冷却流体泵设定为驱动冷却流体通过所述燃料电池堆中的冷却流体流动通道的预定速度、限制所述燃料电池堆的输出功率或所述燃料电池系统的净功率、限制流出所述燃料电池堆的所述冷却流体的最高温度、关闭可用来从所述燃料电池堆中的反应剂气体流动通道中去除水的燃料电池堆的抗溢流算法、以及关闭阴极化学计量比调节，所述阴极化学计量比调节用来响应于在所述燃料电池堆中的阴极流动通道中出现的水积聚而进行相对湿度控制。

Description

端部电池加热器失效后提高燃料电池堆可靠性的方法
技术领域
本发明总体上涉及一种用于提高燃料电池系统的可靠性的系统和方法，且更具体而言，本发明涉及一种响应于燃料电池堆中的端部电池加热器失效而采取预防性措施从而使燃料电池堆的劣化降至最低程度和/或防止燃料电池堆失效直至有可能进行修理的系统和方法。
背景技术
氢由于其清洁性且可用来在燃料电池中高效发电而因此是一种非常有吸引力的燃料。氢燃料电池是包括阳极和阴极以及位于其间的电解质的电化学装置。阳极接收氢气且阴极接收氧或空气。氢气在阳极中离解以便产生自由质子和电子。该质子通过电解质而到达阴极。质子在阴极中与氧和电子进行反应而产生水。来自阳极的电子不能通过电解质，且因此在被传送至阴极之前被引导通过负载而做功。
质子交换膜燃料电池(PEMFC)是一种被车辆普遍采用的燃料电池。质子交换膜燃料电池通常包括固体聚合物电解质质子传导膜，如全氟磺酸膜。阳极和阴极通常包括被担载在碳颗粒上并与离聚物混合的细分散催化颗粒，该催化颗粒通常为铂(Pt)。催化混合物被沉积在膜的相对侧上。阳极催化混合物、阴极催化混合物与膜的组合限定出膜电极组件(MEA)。
多个燃料电池通常被组合在燃料电池堆中以便产生所需功率。燃料电池堆接收阴极反应剂气体，所述阴极反应剂气体通常是在压缩机的作用下受力通过燃料电池堆的空气流。并非所有的氧都被燃料电池堆消耗且其中一些空气作为阴极排出气体被输出，所述阴极排出气体可包括水作为燃料电池堆副产物。燃料电池堆还接收流入燃料电池堆的阳极侧内的阳极氢反应剂气体。燃料电池堆还包括供冷却流体流动通过的流动通道。
燃料电池堆通常包括位于燃料电池堆中的多个膜电极组件之间的一系列双极板，其中双极板和膜电极组件位于两块端板之间。双极板包括用于燃料电池堆中的相邻燃料电池的阳极侧和阴极侧。阳极气体流动通道被设置在双极板的阳极侧上，所述阳极气体流动通道允许阳极反应剂气体流至相应的膜电极组件。阴极气体流动通道被设置在双极板的阴极侧上，所述阴极气体流动通道允许阴极反应剂气体流至相应的膜电极组件。一块端板包括阳极气体流动通道，且另一端板包括阴极气体流动通道。双极板和端板由导电材料例如不锈钢或导电复合材料制成。端板将由燃料电池产生的电力导出燃料电池堆。双极板还包括供冷却流体流动通过的流动通道。
燃料电池内的膜需要具有一定的相对湿度，从而使得穿过膜的离子阻力低到足以有效地传导质子的程度。该湿化可来自燃料电池堆的水副产物或外部湿化。流动通过流动通道的反应剂气体流在膜上产生了干燥效应，这一点在流动通道的入口处最为明显。此外，由于膜的相对湿度和水副产物使水滴积聚在流动通道内，这种积聚可防止反应剂气体流动通过其中，且导致电池失效，因此影响燃料电池堆的稳定性。在燃料电池堆输出负载较低的情况下，水在反应剂气体流动通道中产生的积聚特别麻烦。
与燃料电池堆中的其它电池相比，燃料电池堆中的端部电池通常具有不同的性能且对于运行条件的敏感性也有所不同。特别地，端部电池在位置上最接近燃料电池堆的周围环境温度，且因此具有温度梯度，由于存在各种热量损失，因此所述温度梯度导致它们在更低的温度下运行。由于端部电池通常比燃料电池堆中其余的电池更冷，因此气态水更易于冷凝成液态水，从而使端部电池具有更高的相对湿度，这导致更易于在端部电池的流动通道中形成水滴。进一步地，在低燃料电池堆负载下，可用来将水推出流动通道的反应剂气体流的量被大大减少。此外，在低燃料电池堆负载下，冷却流体的温度被降低，这降低了燃料电池堆的温度且通常提高了反应剂气体流的相对湿度。
利用位于端部单元与单极板之间的电阻加热器来加热燃料电池堆的端部电池以便补偿热损失的做法是本领域已公知的。然而，有时这些端部电池加热器在保持该加热器的位置处会产生失效，这可导致出现比没有端部电池加热器的燃料电池堆更严重的问题。
发明内容
根据本发明的教导，披露了一种用于在燃料电池堆中出现端部电池加热器失效的情况下提高燃料电池系统可靠性的系统和方法。所述方法包括检测端部电池加热器已无法恒定处于接通状态。如果检测到端部电池加热器失效，则所述方法执行以下步骤中的一个或多个步骤：将冷却流体泵设定为驱动冷却流体通过所述燃料电池堆中的冷却流体流动通道的预定速度、限制所述燃料电池堆的输出功率、限制流出所述燃料电池堆的所述冷却流体的最高温度、关闭可用来从所述燃料电池堆中的反应剂气体流动通道中去除水的燃料电池堆的抗溢流算法(anti-flooding algorithms)、以及关闭阴极化学计量比调节，所述阴极化学计量比调节用来响应于在所述燃料电池堆中的阴极流动通道中出现的水积聚而进行相对湿度控制。
通过下面的描述和所附权利要求书并结合附图将易于理解本发明的附加特征。
附图说明
图1示出了燃料电池系统的示意性平面图；和
图2是示出了根据本发明的一个实施例的用于在出现端部电池加热器失效的情况下提高燃料电池系统可靠性的运行的流程图。
具体实施方式
下面对针对一种用于在出现端部电池加热器失效的情况下提高燃料电池系统可靠性的系统和方法的本发明的实施例进行的讨论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。
图1是包括燃料电池堆12的燃料电池系统10的平面图。燃料电池堆12包括位于燃料电池堆12的端部电池中的端部电池加热器14和16。在一个非限制性实施例中，端部电池加热器14和16是电阻加热器。端部电池加热器的类型、端部电池加热器14和16的定位以及在燃料电池系统10的正常运行过程中对端部加热器14和16的控制都是所属领域技术人员众所周知的参数。
燃料电池堆12通过阴极输入管线20接收来自压缩机18的阴极输入空气，且通过阴极输出管线22输出阴极排出气体。同样地，燃料电池堆12通过阳极输入管线24接收氢气体流，且通过阳极输出管线26输出阳极排出气体。冷却流体流动通道被设置在燃料电池堆12中的双极板中。冷却流体通过泵30被泵送通过冷却流体流动通道且通过位于燃料电池堆12外部的冷却流体回路32。来自燃料电池堆12的处在回路32中的冷却流体被传送至散热器34，在将所述冷却流体传回燃料电池堆12之前在所述散热器处降低所述冷却流体的温度。散热器旁通阀36允许受控量的冷却流体通过散热器34或者通过旁通管线38而绕过散热器，以便帮助按照所属领域技术人员众所周知的方式控制燃料电池堆12的温度。控制器40接收来自系统10的各种输入信号，这包括来自端部电池加热器14和16的温度测量信号。控制器40还对系统10中的多个元件进行控制，所述多个元件包括压缩机18、泵30和旁通阀36。
控制器40将具有特定占空度的特定脉冲宽度调制(PWM)信号提供给端部电池加热器14和16，所述占空度决定了对于特定系统运行而言加热器14和16何时被接通(on)以及加热器14和16何时被断开(off)。可通过燃料电池堆12的功率输出提供实际上驱动端部电池加热器14和16的功率。由于端部电池加热器14和16以及相关联的电路处在某种程度上严苛的环境中，因此端部电池14和16或其电路中的一些部分可能失效，从而导致端部电池加热器14和16保持处于接通状态或保持处于断开状态。
如果端部电池加热器14和16保持持续接通状态，则该端部电池加热器14和16产生了相当大量的热，这会使燃料电池堆12受损，特别是使其中的膜受损。在本领域中已经提出了提供某种电路的做法，如果出现失效或检测到失效，所述电路将会导致端部电池加热器14和16保持持续断开状态。然而，如果在燃料电池堆12中未设置端部电池加热器，则这种状态会导致出现上述问题。在端部电池加热器14和16中的任一者保持处在持续接通位置的情况下，燃料电池堆12的端部电池变热且变干，这使得由于高离子阻力而导致电池性能变差。如果车辆操作者需要高功率，则该问题更为严重，在所述高功率下，燃料电池堆12产生了高电流密度，这导致端部电池性能明显恶化。因此，所希望的是，提供一种算法，所述算法响应于在该接通位置处出现的端部电池加热器失效而采取各种补救步骤，从而使得燃料电池系统10可在不会导致燃料电池堆12受损的情况下继续运行，直至能够对燃料电池系统10进行维修。
图2是示出了根据本发明的一个实施例的用来响应于端部电池加热器的失效而减轻或防止出现燃料电池堆损坏的方法的流程图50。算法在框52中确定端部电池加热器的失效。这可以任何适当方式来实现，例如测量端部电池的温度和流动通过冷却流体回路32的冷却流体的温度以便确定二者之间是否存在明显差别。此外，可对被施加到端部电池加热器14和16上的电流进行测量以便确定端部电池加热器14和16是否吸取了比脉冲宽度调制信号的特定占空度所需电流更多的电流。如果该算法确定端部电池加热器已经失效，则其可导致表示失效的警报被提供给车辆操作者，例如接通尽快维修指示灯。
如果该算法确定端部电池加热器14和16的其中之一或者二者已经无法持续处于接通状态，则该算法将会在框54中将冷却流体泵30的速度设定为预定最高速度。通过提高通过燃料电池堆12的冷却流体的流速，由于有更多冷却流体进入燃料电池堆12而吸走了过多的热量，因此燃料电池堆12内的燃料电池的升温受到限制。因此，燃料电池堆12的端部电池将不会在正如由于该位置处的冷却流体泵30的速度会导致出现的严重程度上产生干透和过热。
该算法还可在框56中设定来自燃料电池堆12的预定最大输出功率。在一个非限制性实施例中，最大燃料电池堆功率被设定为10kW。如果允许从燃料电池堆12中抽出比该最大功率量更多的功率，则过多电流从已经过热的端部电池中被抽出，这将会降低端部电池的电压，这可能导致它们变得不稳定。换句话说，当端部电池的温度升高时，端部电池内的相对湿度下降，这导致电池电阻升高。当在该条件下有更多电流从端部电池中被抽出时，出现了更大的电压损失，这导致穿过端部电池的电压下降。如果这种现象继续下去，则穿过端部电池的电压可能变为负值，这可能导致出现端部电池和/或燃料电池堆失效。
进一步地，该算法可在框58中限制燃料电池堆12外面的冷却流体的最高温度而使其低于如果端部电池加热器14和16适当运行时的正常的系统最高值。在一个非限制性实施例中，最高可允许冷却流体温度可为约70℃。通过限制冷却流体的温度，可降低燃料电池堆12中的端部电池的温度从而防止出现化学劣化和性能问题。该算法可通过导致与通过旁通管线38绕过散热器34的冷却流体相比有更多的冷却流体流动通过散热器34而降低冷却流体的温度。特别地，控制器40控制旁通阀36以便减少或消除流动通过旁通管线38的冷却流体的量，从而使得进一步降低了冷却流体的温度。
该算法还可在框60中关闭抗溢流算法，这可以预定方式改变系统参数从而对在燃料电池堆12中的双极板中的多条反应剂气体流动通道中的水积聚量进行控制。用于实现该目的的算法是本领域众所周知的。由于如果端部电池加热器14和16处于持续接通状态则端部电池将处于更高的温度下，因此与正常端部电池加热器运行相比，阴极或阳极流动通道内的水量将有所减少。因此，从抗溢流算法的角度来看，由于燃料电池系统可能看来处于适当运行状态，即端部电池加热器处于适当运行状态，因此可能希望关闭所述产生作用以便限制流动通道中的水量的算法。
该算法还可在框62中关闭用于燃料电池堆相对湿度控制的阴极化学计量比调节。阴极化学计量比，即阴极输入空气流与燃料电池堆输出电流之间的关系，具有用于每个燃料电池堆电流密度的特定设定点。通常在功率瞬态期间采用阴极化学计量比控制，在该功率瞬态期间，在阴极流动通道中进行的相对湿度控制受到燃料电池堆12的水产生速率，即所述燃料电池堆的电流，和流至燃料电池堆12的阴极输入空气流的影响。对于系统可能希望增加阴极化学计量比以便减轻阴极流动通道水积聚的那些时期而言，因为端部电池由于失效的端部电池加热器而已经变热，而这降低了其积聚水的能力，因此可能希望停止该算法的运行。通过增加压缩机18的速度以便增加阴极化学计量比，更多干燥空气受力通过反应剂气体流动通道，这可甚至使已经受热且干燥的电池进一步干透。
该算法还可在框64中对端部电池加热器14和16的温度进行周期性地检查。即使在采取了该算法的所有其它先前步骤的情况下，端部电池加热器的温度可能仍然过高以至于无法防止出现性能损失和变得严重的电池劣化。在该情况下，适当的行为可包括，但不限于，进一步降低冷却或系统关闭的温度。因此，该算法可返回框58的步骤以便将冷却温度进一步降低至甚至更低的值。
该算法还可在框66中保持端部电池加热器的控制模式用于下一次系统启动。在该算法已经确定在端部电池加热器保持处于接通位置的情况下出现了端部电池加热器失效，且已经采取了上述措施中的一个或多个措施来减轻燃料电池堆劣化，之后，可能希望在车辆已经关闭和重新启动之后保持端部电池加热器失效控制模式。通过保持端部电池加热器失效控制模式用于下一次启动。该系统将不得不经历再次确定端部电池加热器14和/或16已经失效的过程。
前面的讨论仅披露和描述了本发明的典型实施例。通过这种讨论且通过附图和权利要求书，所属领域技术人员将易于认识到：可在不偏离由以下权利要求书限定的本发明的精神和范围的情况下作出多种变化、变型和改变。

Claims (22)

1、一种用来响应于燃料电池堆中的端部电池加热器的失效而采取补救行为的方法，所述方法包括：
确定所述端部电池加热器已经无法处于持续接通状态；
将冷却流体泵设定为驱动冷却流体通过所述燃料电池堆中的冷却流体流动通道的预定最高速度；
限制所述燃料电池堆的最大输出功率；
限制流动通过所述燃料电池堆的所述冷却流体的最高温度；
关闭可用来减轻所述燃料电池堆中的反应剂气体流动通道中出现的水积聚的抗溢流过程；并且
关闭由于在所述燃料电池堆中的阴极流动通道中出现的水积聚而用来进行相对湿度控制的阴极化学计量比调节。
2、根据权利要求1所述的方法，其中确定端部电池加热器失效的步骤包括测量所述端部电池的温度和流动通过冷却流体回路的冷却流体的温度以便确定以上两种温度之间是否存在明显差别。
3、根据权利要求1所述的方法，其中确定端部电池加热器失效的步骤包括确定所述端部电池加热器是否吸取了比控制所述端部电池加热器的脉冲宽度调制信号的特定占空度所需电流更多的电流。
4、根据权利要求1所述的方法，进一步包括从系统关闭到下一次系统启动期间保持所述端部电池加热器失效模式。
5、根据权利要求1所述的方法，其中限制所述冷却流体的所述最高温度包括减少或消除绕过位于所述燃料电池堆外部的散热器的冷却流体的量。
6、根据权利要求1所述的方法，进一步包括确定所述端部电池的温度且其中限制所述冷却流体的所述最高温度包括如果确定所述端部电池的温度过高则进一步限制所述冷却流体的温度。
7、根据权利要求1所述的方法，其中所述加热器是电阻加热器。
8、一种用来响应于燃料电池堆中的端部电池加热器的失效而采取补救行为的方法，所述方法包括：
确定所述端部电池加热器已经无法处于持续接通状态；
将冷却流体泵设定为驱动冷却流体通过所述燃料电池堆中的冷却流体流动通道的预定最高速度；并且
限制所述燃料电池堆的最大输出功率。
9、根据权利要求8所述的方法，进一步包括限制流动通过所述燃料电池堆的所述冷却流体的最高温度。
10、根据权利要求9所述的方法，其中限制所述冷却流体的所述最高温度包括减少或消除绕过位于所述燃料电池堆外部的散热器的冷却流体的量。
11、根据权利要求8所述的方法，进一步包括关闭可用来减轻所述燃料电池堆中的反应剂气体流动通道中出现的水积聚的抗溢流过程。
12、根据权利要求8所述的方法，进一步包括关闭由于在所述燃料电池堆中的阴极流动通道中出现的水积聚而用来进行相对湿度控制的阴极化学计量比调节。
13、根据权利要求8所述的方法，其中确定端部电池加热器失效的步骤包括测量所述端部电池的温度和流动通过冷却流体回路的冷却流体的温度以便确定以上两种温度之间是否存在明显差别。
14、根据权利要求8所述的方法，其中确定端部电池加热器失效的步骤包括确定所述端部电池加热器是否吸取了比控制所述端部电池加热器的脉冲宽度调制信号的特定占空度所需电流更多的电流。
15、根据权利要求8所述的方法，进一步包括从系统关闭到下一次系统启动期间保持所述端部电池加热器失效模式。
16、一种用来响应于燃料电池堆中的端部电池加热器的失效而采取补救行为的方法，所述方法包括：
确定所述端部电池加热器已经无法处于持续接通状态；
将冷却流体泵设定为驱动冷却流体通过所述燃料电池堆中的冷却流体流动通道的预定最高速度；
限制所述燃料电池堆的最大输出功率；并且
关闭可用来减轻所述燃料电池堆中的反应剂气体流动通道中出现的水积聚的抗溢流过程。
17、根据权利要求16所述的方法，进一步包括限制流动通过所述燃料电池堆的所述冷却流体的最高温度。
18、根据权利要求17所述的方法，其中限制所述冷却流体的所述最高温度包括减少或消除绕过位于所述燃料电池堆外部的散热器的冷却流体的量。
19、根据权利要求16所述的方法，进一步包括关闭由于在所述燃料电池堆中的阴极流动通道中出现的水积聚而用来进行相对湿度控制的阴极化学计量比调节。
20、根据权利要求16所述的方法，其中确定端部电池加热器失效的步骤包括测量所述端部电池的温度和流动通过冷却流体回路的冷却流体的温度以便确定以上两种温度之间是否存在明显差别。
21、根据权利要求16所述的方法，其中确定端部电池加热器失效的步骤包括确定所述端部电池加热器是否吸取了比控制所述端部电池加热器的脉冲宽度调制信号的特定占空度所需电流更多的电流。
22、根据权利要求16所述的方法，进一步包括从系统关闭到下一次系统启动期间保持所述端部电池加热器失效模式。
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