CN101645512B - 用作冷却剂加热器的燃料电池组 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用作冷却剂加热器的燃料电池组。一种用于特别是在燃料电池组冷启动时快速提高电池组的温度的系统和方法。该方法包括确定燃料电池组是否低于第一预定温度阈值，如果是，则开始使冷却流体流过该电池组，并接合跨过该电池组的短路电路以使该电池组短路，致使该电池组无效工作。随后，该方法确定燃料电池组的期望加热速率，并基于该期望加热速率计算流向燃料电池组的阴极空气流。若最小电池电压低于预定最小电池电压阈值，则该方法减小流向电池组的阴极空气流，并且当电池组温度达到第二预定温度阈值时断开所述短路电路并向电池组施加车辆负载。

Description

用作冷却剂加热器的燃料电池组
技术领域
本发明大体上涉及在系统启动时加热燃料电池组的系统和方法，更具体地，涉及用于加热燃料电池组系统启动的系统和方法，其包括使该电池组电短路并利用阴极空气作为限制反应物。
背景技术
由于清洁并可用于在燃料电池中有效地发电，因此氢是非常有吸引力的燃料。氢燃料电池是包括阳极和阴极并在其间具有电解质的电化学装置。阳极接收氢气，阴极接收氧气或空气。氢气在阳极中分解而产生自由氢质子和电子。氢质子穿过电解质至阴极。氢质子与阴极中的氧和电子发生反应而生成水。来自阳极的电子不能穿过电解质，因而在被送至阴极之前被引导通过负载而做功。
质子交换膜型燃料电池(PEMFC)是流行的车用燃料电池。PEMFC通常包括固体聚合物电解质质子传导膜，例如全氟磺酸膜。阳极和阴极通常包括承载在碳粒上并与离子聚合物混合的微细催化物颗粒，通常为铂(Pt)。该催化混合物淀积在膜的相对侧。阳极催化混合物、阴极催化混合物和膜的组合限定了膜电极组件(MEA)。MEA制造起来比较昂贵，并且需要一定条件来进行有效操作。
通常将若干燃料电池组合成燃料电池组来产生期望功率。例如，典型的车用燃料电池组可具有两百个或更多个堆叠的燃料电池。燃料电池组接收阴极输入气体，通常是空气流，由压缩机迫使其穿过电池组。不是所有氧气都被电池组消耗，一部分空气作为阴极排气输出，该阴极排气可能包括作为电池组副产物的水。该燃料电池组还接收流入电池组的阳极侧的阳极氢输入气体。
所述燃料电池组包括位于该电池组的若干MEA之间的一系列双极板，其中双极板和MEA位于两个端板之间。这些双极板包括用于电池组中的相邻燃料电池的阳极侧和阴极侧。在双极板的阳极侧设置阳极气体流道，其允许阳极反应气体流向相应的MEA。在双极板的阴极侧设置阴极气体流道，其允许阴极反应气体流向相应的MEA。一个端板包括阳极气体流道，另一端板包括阴极气体流道。双极板和端板由例如不锈钢或导电复合物之类的导电材料制成。这些端板将燃料电池所产生的电传导到电池组外。
在低温工作期间(例如低于50℃)，燃料电池组由于低水饱和压力而通常在流道中具有液态水的情况下工作。该液态水会引起流动分布问题、冻结启动问题和电极浸水。若升高电池组温度，这些问题大多数都可以避免。若电池组低于冻结温度，则会在流道中结冰，需要在系统启动时快速使冰熔化成液态水或水蒸气，从而可将其清除出流道以提供适当流动分布。在系统停机时，通过从通道中冲走液态水滴并蒸发干燥MEA和扩散介质而采取动作尽可能地去除电池组中的水。然而，通常不能从MEA和扩散介质去除期望地那样多的水，在低温启动时尤其如此。
本领域中公知利用燃料电池组产生的废热使系统升至其工作温度，由于燃料电池组的固有效率，这会花费较长时间。还公知在系统启动时利用加热器加热电池组冷却流体，使得电池组的温度更快地升高。进入系统中的该热量受冷却流体加热器的尺寸以及发生热传递的面积限制。还公知向电池组的阴极空气流中喷射氢气以允许在燃料电池的阴极侧中的催化物上发生氢的催化燃烧，从而提供热。然而，出于易燃性和电池组干燥问题的考虑，可送到阴极的氢量存在限制。
发明内容
根据本发明的教导，公开一种用于特别是在电池组冷启动时快速提高燃料电池组的温度的系统和方法。该方法包括确定燃料电池组是否低于第一预定温度阈值，如果是，则开始使冷却流体以正常或较低流率流过该电池组，并在阳极的氢填充期间接合跨过该电池组或任意类型的电负载的短路电路，以将电池组电压钳制到接近0V，从而使该电池组短路，致使该电池组无效工作。随后，该方法确定燃料电池组的期望加热速率，并基于该期望加热速率计算至燃料电池组的阴极空气流。若最小电池电压低于预定最小电池电压阈值，则该方法减小至电池组的阴极空气流，并且当电池组温度达到第二预定温度阈值时断开所述短路电路并向电池组施加车辆负载。
结合附图，从以下描述及所附权利要求将会清楚本发明的其它特征。
附图说明
图1是根据本发明实施方式，采用快速加热燃料电池组的过程的燃料电池系统的框图；以及
图2是示出根据本发明实施方式用于在电池组冷启动时加热图1中所示的燃料电池组的过程的流程图。
具体实施方式
本发明实施方式的以下讨论涉及用于通过短路燃料电池组的端子而在电池组冷启动时加热燃料电池组的系统和方法，这本质上仅仅是示例性的，并且绝不意图限制本发明、其应用或使用。
本发明提出用于减小在寒冷温度下将燃料电池组升温至期望最小操作温度所需的时间的系统和方法。系统冷启动可以是其中冷却电池组的冷却流体的温度或者双极板或端板上的电池组内部温度低于电池组正常工作温度的任何启动。可通过实验来定义预定冷启动温度Tcold-start。若电池组高于冷启动温度Tcold-start，燃料电池系统将以正常算法启动。然而，若冷却流体温度低于冷启动温度Tcold-start，则可采用这里所述的算法更快地加热燃料电池组，从而可提供期望功率。
图1是包括燃料电池组12的燃料电池系统10的框图。阴极输入空气由压缩机14提供，并在阴极输入线路16上被送至燃料电池组12的阴极侧。阴极输入空气的流量由质量流量计18测量，并且阴极排气在阴极排气线路20上从燃料电池组12输出。质量流量计18测得的阴极空气流用于控制流入燃料电池组12的阴极空气量以及在旁通线路22上绕过燃料电池组12的阴极空气量。可在旁通线路22中设置旁通阀24，以选择性地控制基于质量流量测量绕过电池组12而直接送至阴极排气线路20的阴极输入空气量。旁通阀24是任选的而不是系统10正确工作所必需的。
氢气在阳极输入线路26上从氢源38提供至燃料电池组12的阳极侧。在阳极输入线路26中设置喷射器或者合适的流量控制阀28，以控制由电池组12接收的氢气量。阳极排气在阳极排气线路30上从燃料电池组12输出。使电池组输出压力保持高于大气压力，从而一直存在过量的氢，并使得能净化阳极而从电池组12去除氮和其它惰性气体。如果没有过量氢，电池组12有可能短缺燃料，从而对电池组12中的燃料电池中的电极造成损坏。压力传感器32测量燃料电池组12的阳极侧压力，以维持放气的正驱动并为氢供应系统提供反馈。此外，所述方法可利用氢喷射器占空比或者质量流量计来确保向燃料电池组12提供过量氢。
燃料电池系统10还包括热子系统(thermal subsystem)，其在燃料电池组12的工作期间控制电池组12的温度。特别是，燃料电池系统10包括位于电池组12外的冷却剂环路34，其中通过泵36使冷却流体泵送通过冷却剂环路34，并通过电池组12内的冷却流体流道。冷却流体温度传感器46测量位于电池组12外的冷却剂环路34中的冷却流体的温度。通常在该热子系统中设置散热器(未示出)以冷却流出电池组12的冷却流体。可使用冷却剂流量计以及位于冷却剂入口的附加温度传感器来提高系统可靠性。
燃料电池组12包括正极端子40和负极端子42，从正极端子40和负极端子42提供电池组12的输出功率。根据本发明，设置短路开关44以选择性地电联接和断开端子40和42。在冷启动期间闭合开关44，以短路燃料电池组12，将电池组电压降低到0V或接近0V，使得燃料电池组12无效工作并产生大量的热。短路开关44的电阻比电池组的高频率电阻低得多，使得燃料电池处于极限电流。虽然在该实施方式中设置短路开关44，但是其它实施方式也可采用接入接出电路的低欧姆电阻器或者某些类型的调压装置，来控制电池组12的输出电压，使得其为0V或接近0V。可跨过电池组12联接短路电阻器，或者可跨过电池组12中的各燃料电池或成组燃料电池联接短路电阻器。
若电池组电压为0V或接近0V，并向燃料电池组12施加空气和氢，则电池组12工作而几乎全部产生热。当闭合开关44而使电池组12处于该配置时，需要采取一定控制步骤来安全操作电池组12，从而正确提供遍布电池组12的空气和氢的分布。特别是，期望的是电池组12的各燃料电池均具有适当量的氢。通过控制压缩机14的运转，可控制开关44闭合时电池组12产生的热量。可将少量的氢分配至电池组12中的流道，而控制压缩机的速度以略小于化学计量量。
图2是流程图50，其示出根据本发明的实施方式在系统冷启动时如何快速加热燃料电池组12的非限制过程。该算法在方框52处确定是否有燃料电池系统启动请求，如果有则利用例如冷却流体温度传感器46或电池组内部温度测量在方框54处检测燃料电池组温度。例如，该算法可通过测量阴极空气流或阳极流动流的温度，或者测量燃料电池组12中的双极板、气体扩散层(GDL)、MEA或端板的温度来确定燃料电池组的温度。该算法在决策菱形56处确定电池组温度是否高于预定温度阈值Tcold-start，如果是，则由于不需要冷启动算法，所述算法在方框58处正常启动系统。
若在决策菱形56处燃料电池组12的温度低于温度阈值Tcold-start，则算法在方框60处启动冷却流体泵36并开始使冷却流体流过电池组12。在加热过程期间提供流过电池组12的冷却流体有助于提高加热均匀性，消除电池组12中的任何有害热点。该算法还在方框62处接合短路开关44以提供跨过端子40和42的短路，使得电池组电压为0V或接近0V，电池组12无效工作。当开关44闭合时，会即刻消耗电池组12内的任何反应物。通过闭合开关44，电池组电压将接近0V，这会产生大部分热。随后，该算法致使氢气被送至燃料电池组12的阳极侧，其中氢气供应至少为化学计量量以防止燃料短缺。然而，必需对氢气流进行限制，因为过多的氢气流会致使过量氢气从电池组12的阳极泵送至阴极侧。
随后，算法在方框66处确定电池组12的必要加热速率，以使电池组12尽快升温至期望温度。各种因素用来确定电池组12的加热率，包括电池组12的热质量、环境温度等。算法基于这些因素确定必需多少热量，以允许车辆驾驶员在针对当前系统因素的某一预定最小时间段内操作车辆。该预定时间段将根据诸如环境温度以及电池组12的最大加热速率之类的因素而异。算法在方框68处计算待提供至电池组12的必要阴极空气，以满足所确定的加热速率。以由加热要求规定的受控速率将阴极空气计量至燃料电池组12的阴极侧。电池组12产生的电流基于空气摩尔数。该反应产生的热为最大可能热，这是因为由于短路开关44，仅所述反应的一小部分自由能量用于产生电流。其余能量直接转换成热，该热被冷却剂环路34中流动的冷却流体带走。
一旦在方框66处计算出适当的阴极空气量，就在方框70处使该量的阴极空气流至燃料电池组12。在方框72处控制流向电池组12的阳极侧的氢气流，以防止泵送过量氢。算法对流向电池组12的氢量进行控制，从而不会有过量氢经燃料电池中的MEA流向电池组12的阴极侧。通常，期望的是维持流向电池组12的氢流在化学计量上超过空气流。随后，算法在方框74处测量电池组冷却流体温度，并确定冷却流体温度是否高于预定温度阈值，其可高于冷启动温度Tcold-start。
若在决策菱形76处冷却流体的温度不高于预定阈值，则算法在方框78处确定最小电池电压，并在决策菱形80处确定该最小电池电压是否低于最小电池电压阈值。通过在电池组12正被加热时监测最小电池电压，可在电池组12中的燃料电池趋于使其电势颠倒时，防止由于加热过程而使燃料电池被损坏。若在决策菱形80处最小电池电压低于最小阈值，则算法在方框82处降低阴极空气设定值，然后返回方框70以向电池组12提供新的阴极流率。若在决策菱形80处最小电池电压不低于最小阈值，则算法在方框92处使阴极空气流增大预定量直至达到最大流量。随后，在方框70处将新计算出的阴极空气流送至电池组的阴极侧。
若在决策菱形76处电池组温度高于阈值，则电池组12适当加热，并且在方框84处断开短路开关44。随后，在方框86处施加车辆电负载，并且在方框88处燃料电池系统10开始正常工作。随后，在方框90处允许驾驶员操作车辆。
以上论述仅公开并描述了本发明的示例性实施方式。本领域技术人员从这样的论述以及附图和所附权利要求将会意识到在不背离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围的情况下可做出各种变化、修改和变更。

Claims (22)

1.一种用于在燃料电池组启动时加热该电池组的方法，所述方法包括：
确定所述燃料电池组的温度是否低于第一预定温度阈值；
若电池组温度低于所述第一预定温度阈值则开始使冷却流体流过所述电池组；
接合跨过所述电池组的短路电路以使该电池组短路，致使该电池组无效工作；
确定所述燃料电池组的期望加热速率；
基于所述期望加热速率计算至所述燃料电池组的阴极空气流的流量；
使计算出的阴极空气流量流向所述燃料电池组的阴极侧；
测量所述电池组的温度以确定该温度是否高于第二预定温度阈值；
若所述电池组的温度低于所述第二预定温度阈值，则确定最小电池电压；
若所述最小电池电压低于预定最小电池电压阈值，则减小至所述电池组的阴极空气流的流量；以及
若所述电池组的温度高于所述第二预定温度阈值，则断开所述短路电路并向所述电池组施加车辆负载。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述第二预定温度阈值高于所述第一预定温度阈值。
3.根据权利要求1所述的方法，其中确定并测量所述燃料电池组的温度包括测量所述冷却流体的温度。
4.根据权利要求1所述的方法，其中确定并测量所述燃料电池组的温度包括测量所述阴极空气流或者阳极流动流的温度。
5.根据权利要求1所述的方法，其中确定并测量所述燃料电池组的温度包括测量所述燃料电池组中的双极板、气体扩散层、膜电极组件或者端板的温度。
6.根据权利要求1所述的方法，其中接合所述短路电路包括闭合提供跨过所述电池组的电短路的开关。
7.根据权利要求1所述的方法，其中接合所述短路电路包括联接跨过所述电池组的电阻器。
8.根据权利要求1所述的方法，其中接合所述短路电路包括联接跨过所述电池组中的各燃料电池或成组燃料电池的电阻器。
9.根据权利要求1所述的方法，还包括在接合所述短路电路之后用氢填充所述电池组的阳极侧，并对氢流进行控制以防止氢泵送。
10.根据权利要求1所述的方法，还包括若所述最小电池电压不低于所述最小电池电压阈值，则增大至所述电池组的阴极空气流的流量。
11.根据权利要求1所述的方法，其中确定所述期望加热速率包括基于环境温度以及包括电池组热质量在内的电池组因素确定所述期望加热速率。
12.一种用于在燃料电池组启动时加热该电池组的方法，所述方法包括：
确定所述燃料电池组的温度是否低于第一预定温度阈值；
接合跨过所述电池组的短路电路以使该电池组短路，致使该电池组无效工作；
确定所述燃料电池组的期望加热速率；
基于所述期望加热速率计算至所述燃料电池组的阴极空气流的流量；以及
使计算出的阴极空气流量流向所述燃料电池组的阴极侧。
13.根据权利要求12所述的方法，还包括若电池组低于所述第一预定温度阈值则开始使冷却流体流过所述电池组。
14.根据权利要求12所述的方法，还包括若电池组温度低于第二温度阈值，则确定最小电池电压，并且若该最小电池电压低于预定最小电池电压阈值，则减小至所述电池组的阴极空气流的流量。
15.根据权利要求14所述的方法，还包括若所述最小电池电压不低于所述最小电池电压阈值，则增大至所述电池组的阴极空气流的流量。
16.根据权利要求12所述的方法，其中确定所述燃料电池组的温度包括测量电池组冷却流体的温度。
17.根据权利要求12所述的方法，其中接合短路电路包括闭合提供跨过所述电池组的电短路的开关。
18.根据权利要求12所述的方法，还包括在所述短路电路接合之后用氢填充所述电池组的阳极侧，并对氢流进行控制以防止氢泵送。
19.根据权利要求12所述的方法，其中确定所述期望加热速率包括基于环境温度以及包括电池组热质量在内的电池组因素确定所述期望加热速率。
20.一种用于加热燃料电池组的方法，该方法包括：
确定所述燃料电池组的温度是否低于第一预定温度阈值；以及
若所述燃料电池组的温度低于所述第一预定温度阈值，则接合跨过所述电池组的短路电路以使该电池组短路，致使该电池组无效工作。
21.根据权利要求20所述的方法，还包括：确定所述燃料电池组的期望加热速率；基于所述期望加热速率计算至所述燃料电池组的阴极空气流的流量；以及若所述燃料电池组的温度低于所述第一预定温度阈值，则使计算出的阴极空气流量流向所述燃料电池组的阴极侧。
22.根据权利要求20所述的方法，还包括：若电池组温度低于第二预定温度阈值，则确定最小电池电压；并且若该最小电池电压低于预定最小电池电压阈值，则减小至所述电池组的阴极空气流的流量。
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