CN105047979A - 燃料电池阴极辅助设备冻结策略 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及燃料电池阴极辅助设备冻结策略，具体地，用于燃料电池系统中的阴极子系统的系统和方法。所述系统包括燃料电池堆、向所述燃料电池堆提供阴极空气的阴极进口线以及将阴极废气从所述燃料电池堆排出的阴极排气线。还包括在所述阴极排气线中的背压阀，所述背压阀位于所述阴极排气线的滴槽的下游，其中，所述滴槽包括防止冷凝水在所述背压阀附近累积的突出。所述滴槽还包括收集来自所述滴槽的所述突出的冷凝水滴的集槽。所述系统还包括在水蒸气输送单元下方的泄放装置，所述泄放装置包括在所述泄放装置的位于所述阴极排气线内的部分中的孔。

Description

燃料电池阴极辅助设备冻结策略
技术领域
本发明总体上涉及一种用于为燃料电池堆的阴极子系统选择性地提供冻结策略的系统和方法，且更具体地，涉及一种用于选择性地提供防止阴极子系统的辅助设备中的组件冻结的冻结策略的系统和方法。
背景技术
因为氢是清洁的并且能够用于在燃料电池中高效地产生电，所以氢是非常有吸引力的燃料。氢燃料电池是包括阳极和阴极且电解质设置在它们之间的电化学装置。阳极接收氢气，阴极接收氧或空气。氢气在阳极中解离，从而产生自由的质子和电子。质子穿过电解质到达阴极。质子与阴极中的氧和电子反应，从而产生水。来自一个或多个端电池的阳极的电子不能穿过电解质，因此被引导穿过负载以在被发送到阴极之前执行工作。
质子交换膜燃料电池（PEMFC）是用于车辆的受欢迎的燃料电池。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细分的催化颗粒，通常为支撑在碳颗粒上并与离聚物混合的铂（Pt）。催化混合物沉积在膜的相对侧上。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）。MEA在制造方面相对昂贵，并需要用于有效操作的特定条件。
若干个燃料电池通常在燃料电池堆中组合，以产生期望的功率。例如，用于车辆的典型燃料电池堆可以具有两百个或更多个堆叠的燃料电池。燃料电池堆接收阴极输入反应气体，通常为通过压缩机强迫通过堆的空气流。并非全部氧都被堆消耗，一些空气作为阴极废气输出，阴极废气可包括作为堆副产物的水。燃料电池堆还接收流入到堆的阳极侧的阳极氢反应气体。堆还包括冷却流体流经的流道。
燃料电池堆包括设置在堆中的若干个MEA之间的一系列双极板，其中，双极板和MEA设置在两个端板之间。双极板包括用于堆中的相邻的燃料电池的阳极侧和阴极侧。阳极气体流道设置在双极板的阳极侧，从而允许阳极反应气体流到MEA的相应侧。阴极气体流道设置在双极板的阴极侧，从而允许阴极反应气体流到MEA的相应侧。一个端板包括阳极气体流道，另一端板包括阴极气体流道。双极板和端板由诸如不锈钢或导电复合物的导电材料制成。端板将燃料电池产生的电传导到堆的外部。双极板还包括冷却流体流经的流道。
如在本领域中很好理解的，燃料电池膜以受控的水化水平操作，从而跨膜的离子阻力足够地低，以有效地传导质子。来自燃料电池堆的阴极出口气体的相对湿度（RH）通常受到控制，从而通过控制若干个堆操作参数例如堆压力、温度、阴极化学计量和进入堆的阴极空气的相对湿度来控制膜的水化水平。在本领域中已知的是，从阴极排气流回收水并使其经过阴极进口空气流返回到堆。许多设备可以用于执行此功能，例如水蒸气输送（WVT）单元。通过保持用于阴极出口相对湿度的特定设定点，例如80%，可以保持适当的堆膜水化水平。
在本领域中已知的是，在燃料电池堆中提供膜的高频电阻（HFR）测量，从而在燃料电池堆中提供水或膜水化的精确测量。HFR测量系统在堆的电负载上提供高频组件，其操作以在堆的电流输出上产生高频纹波。测量高频组件的电阻，其是堆膜中的水的量的函数。
在燃料电池系统停用时，期望的是膜具有特定水化水平，从而它们不是太湿或太干。这通常通过用干燥空气将堆的阴极侧吹扫特定时间段来实现。在一种已知技术中，通过使空气从阴极侧强迫穿过膜来进行阳极侧的吹扫。堆中的过多的水会产生低温环境的问题，其中，水的冻结会产生阻挡流道并影响系统重新启动的冰。然而，太长的吹扫会使膜变得太干，此时膜将在下一次系统重新启动时具有过低的质子传导性，这影响重新启动性能以及减小系统的耐用性。堆中的水的实际目标克量将根据系统和特定系统参数而改变。
对于具有三百个燃料电池且有效面积接近400cm2每电池的燃料电池堆，当系统停用时，堆可以具有大约200克水。期望的是，此尺寸的堆在系统停用之后具有大约23克水，使得膜被适当地水化。23克水是堆的λ即3，其中，λ表示在用于每个燃料电池的膜中限定为对于每个硫酸分子的水分子数的膜水化。通过在系统停用时知道多少水实际地在燃料电池堆中，可以提供期望的空气吹扫流率和空气吹扫持续时间，从而可以实现λ的目标值，例如λ=3。可以采用模型以基于在燃料电池系统的操作期间堆操作参数来估计堆中的水的量。
如果燃料电池堆从最后的系统停用在其中具有过多的水，则在长的启动过程中产生的水会阻挡气体流道。通常，堆在启动时越冷，将堆充分地加热所耗的时间越长，并且在启动过程中产生的水将越可能地阻挡气体流道。因此，在非常冷的启动温度例如在-15℃以下时，燃料电池堆受热至0℃所耗的时间更长。因此，停用过程对于燃料电池堆的成功的重新启动变得非常关键，尤其当燃料电池堆温度为-15℃或更冷时。
除了防止过多的水在燃料电池堆中冻结之外，还期望的是防止过多的水在阴极子系统的辅助设备的关键区域中冻结。辅助设备是指除了燃料电池堆的阴极侧之外的阴极子系统的部件。因此，在本领域中需要提供低成本阴极子系统和操作方法以使阴极子系统在-40℃的环境温度下可靠地操作。
发明内容
根据本发明的教导，公开了用于燃料电池系统中的阴极子系统的系统，其包括燃料电池堆、向燃料电池堆提供阴极空气的阴极进口线以及将阴极废气从所述燃料电池堆排出的阴极排气线。还包括在所述阴极排气线中的背压阀，所述背压阀位于所述阴极排气线的滴槽的下游，其中，所述滴槽包括防止冷凝水在所述背压阀附近累积的突出。所述滴槽还包括收集来自所述滴槽的所述突出的冷凝水滴的集槽。
本发明还提供如下方案：
1、一种具有阴极子系统的燃料电池系统，所述阴极子系统包括：
燃料电池堆；
向所述燃料电池堆提供阴极空气的阴极进口线；
将阴极废气从所述燃料电池堆排出的阴极排气线；以及
在所述阴极排气线中的背压阀，所述背压阀位于所述阴极排气线的滴槽的下游，其中，所述滴槽包括防止冷凝水在所述背压阀附近累积的突出，所述滴槽还包括收集来自所述滴槽的所述突出的冷凝水滴的集槽。
2、根据方案1所述的系统，其特征在于，还包括被编程为确定所述背压阀的温度并估计所述背压阀附近的液态水的控制器，所述控制器在所述温度和所述背压阀附近的液态水达到预定门限值时执行冻结吹扫策略。
3、根据方案1所述的系统，其特征在于，还包括使用旁通阀将阴极进口空气选择性地引导至所述阴极排气线的旁通线，所述旁通阀在所述旁通线中位于所述阴极进口线附近，所述旁通线包括位于所述旁通阀的下游的至少一个转弯，所述至少一个转弯防止所述阴极排气线中的水回溅到所述旁通阀。
4、根据方案1所述的系统，其特征在于，还包括在所述阴极进口线中的增压空气冷却器和水蒸气输送单元，其中，所述增压空气冷却器位于所述阴极进口线中并供给到所述阴极进口线中的所述水蒸气输送单元中，所述增压空气冷却器由冷却剂循环来冷却，其中，压力传感器设置在所述增压空气冷却器上，从而在空气被所述增压空气冷却器冷却之后测量所述阴极进口空气的压力，并在所述水蒸气输送单元将水加入到所述阴极进口空气之前测量所述阴极进口空气的压力。
5、根据方案4所述的系统，其特征在于，还包括直接在所述水蒸气输送单元下方的泄放装置，所述泄放装置包括集槽，所述集槽通过孔将来自所述水蒸气输送单元的液态水泄放到所述阴极排气线中。
6、根据方案1所述的系统，其特征在于，还包括直接在所述孔上方的位于所述泄放装置中的筛网，其中，所述泄放装置的包括所述孔和所述筛网的部分延伸到所述阴极排气线中，从而来自所述阴极排气线的热能够使可能在所述泄放装置的所述孔处累积的冰融化。
7、根据方案6所述的系统，其特征在于，所述泄放装置的在所述筛网和所述孔附近的部分由导热材料制成。
8、根据方案1所述的系统，其特征在于，所述背压阀是位于所述阴极排气线的山丘形区域中的倒置P型阀。
9、一种具有阴极子系统的燃料电池系统，所述阴极子系统包括：
燃料电池堆;
将阴极进口空气提供到所述燃料电池堆的阴极进口线；
将阴极废气从所述燃料电池堆排出的阴极排气线；
将来自所述阴极废气的湿度传递到所述阴极进口空气的水蒸气输送单元；以及
位于所述阴极进口线中并供给到所述水蒸气输送单元中的增压空气冷却器，所述增压空气冷却器由冷却剂循环来冷却，其中，压力传感器设置在所述增压空气冷却器上，从而在空气被所述增压空气冷却器冷却之后测量所述阴极进口空气的压力，并在所述水蒸气输送单元将水加入到所述阴极进口空气之前测量所述阴极进口空气的压力。
10、根据方案9所述的系统，其特征在于，还包括直接在所述水蒸气输送单元下方的泄放装置，所述泄放装置包括集槽，所述集槽通过孔将来自所述水蒸气输送单元的液态水泄放到所述阴极排气线中。
11、根据方案9所述的系统，其特征在于，还包括直接在所述孔上方的位于所述泄放装置中的筛网，其中，所述泄放装置的包括所述孔和所述筛网的部分延伸到所述阴极排气线中，从而来自所述阴极排气线的热能够使可能在所述泄放装置的所述孔处累积的冰融化。
12、根据方案9所述的系统，其特征在于，所述泄放装置的包括所述孔和所述筛网的至少所述部分由导热材料制成。
13、根据方案9所述的系统，其特征在于，还包括在所述阴极排气线中的背压阀，所述阴极背压阀是位于所述阴极排气线的山丘形区域中的倒置P型阀。
14、根据方案9所述的系统，其特征在于，还包括在所述阴极排气线中的背压阀，所述背压阀位于所述阴极排气线的滴槽的下游，所述滴槽包括防止冷凝水在所述背压阀附近累积的突出，所述滴槽还包括收集来自所述滴槽的所述突出的冷凝水滴的集槽。
15、根据方案9所述的系统，其特征在于，还包括被编程为确定所述阴极子系统的位置的温度并被编程为估计在所述阴极子系统的所述位置处的液态水的控制器，所述控制器在所述温度和在所述位置处的估计的液态水达到预定门限值时执行冻结吹扫策略。
16、一种具有阴极子系统的燃料电池系统，所述阴极子系统包括：
燃料电池堆；
将阴极进口空气提供到所述燃料电池堆的阴极进口线；
将阴极废气从所述燃料电池堆排出的阴极排气线；以及
使用旁通阀将阴极进口空气选择性地引导至所述阴极排气线的旁通线，所述旁通阀在所述旁通线中位于所述阴极进口线附近，所述旁通线包括位于所述旁通阀的下游的至少一个转弯，所述至少一个转弯防止所述阴极排气线中的水回溅到所述旁通阀。
17、根据方案16所述的系统，其特征在于，还包括在所述阴极排气线中的背压阀，所述背压阀是位于所述阴极排气线的山丘形区域中的倒置P型阀。
18、根据方案16所述的系统，其特征在于，还包括在所述阴极排气线中的背压阀，所述背压阀位于所述阴极排气线的滴槽的下游，所述滴槽包括防止冷凝水在所述背压阀附近累积的突出，所述滴槽还包括收集来自所述滴槽的所述突出的水滴的集槽。
19、根据方案16所述的系统，其特征在于，还包括被编程为确定所述阴极子系统的位置的温度并被编程为估计在所述阴极子系统的所述位置处的水的控制器，所述控制器在所述温度和在所述位置处的估计的液态水达到预定门限值时执行冻结吹扫策略。
本发明的附加特征将通过结合附图的以下描述和所附的权利要求而变得明显。
附图说明
图1是燃料电池系统的示意性框图；以及
图2是旁通阀和阴极排气背压阀的等轴图；
图3是阴极子系统的区域的分解图；
图4是阴极子系统的另一区域的分解图；
图5是阴极子系统的另一区域的分解图；
图6是包括背压阀的阴极子系统的另一区域的分解图；
图7是根据另一实施例的包括背压阀的阴极子系统的分解图；以及
图8是示出用于选择性地确定是否应当在燃料电池系统停用时执行冻结吹扫的方法的流程图。
具体实施方式
涉及用于选择性地提供阴极子系统的冻结策略的系统和方法的本发明实施例的以下讨论本质上仅是示例性的并且决不是要限制本发明或其应用或用途。例如，本发明具有用于车辆上的燃料电池系统的具体应用。然而，如本领域技术人员将认识到的，本发明的系统和方法将具有用于其它燃料电池系统和其它应用的应用。
图1是包括燃料电池堆12的燃料电池系统10的示意性框图。燃料电池堆12在阳极输入（管）线16上从氢源14接收氢气，阳极废气在阳极废气再循环线18上从堆12排出并使用例如注射器/喷射器40再循环到堆12。压缩机20通过使阴极输入空气湿化的水蒸气输送（WVT）单元24在阴极输入线22上将空气流提供到燃料电池堆12的阴极侧。阴极废气在阴极废气线26上从堆12输出。阴极废气线26将阴极排气引导至WVT单元24，以提供水，从而使阴极输入空气湿化。阴极排气线26包括背压阀34，从而以本领域技术人员已知的方式控制堆12的阴极侧中的压力。提供具有旁通阀30的旁通线28，以允许阴极进口空气引导至阴极废气线26，如下面更详细地描述的。包括阀54的线36根据需要例如在阴极催化加热期间以本领域技术人员已知的方式选择性地将氢提供到阴极输入线22。
控制器32控制旁通阀30、压缩机20、背压阀34和注射器40，控制器32接收来自作为系统10的一部分的各种传感器例如下面详细讨论的压力传感器68以及温度传感器52和38的输入。控制器32中的水缓冲模型用于以本领域技术人员已知的方式计算由堆12产生多少副产物水。高频电阻（HFR）测量也可用于以本领域技术人员已知的方式确定堆12中的膜的水化。燃料电池堆温度传感器52提供燃料电池堆12的温度测量，环境温度传感器38提供环境温度测量。
旁通线28和旁通阀30允许通常为干的阴极进口空气加入到阴极排气线26上的阴极排气。使用旁通线28将阴极进口空气加入到阴极排气可存在若干理由，例如为了稀释阴极排气中的氢。因为穿过旁通线28的空气通常非常干燥，所以认为阀30的冻结将不是问题。然而，研究已经显示，该阀可能由于处于阴极排气线26中的水的后溅射而会冻结。
图2是旁通线28中的旁通阀30和阴极排气线26中的背压阀34的等轴图。区域62是来自阴极排气线26的水的后溅射发生的地方，由此使旁通阀30冻结。因此，旁通阀30必须位于与阴极排气线26中的湿阴极排气流隔开的位置处，以防止产物水后溅射、冻结并锁闭阀30。
图3是图1中示出的区域44的分解图。如示出的，旁通阀30与阴极排气线26隔开。最远的可能点是最佳的。另外，位于旁通线28中的转弯越多，对于防止阀30冻结越好。举例而言，如果仅一个90°转弯在旁通线28中，则期望的是在旁通阀30和排气线26之间具有20英寸或更大的距离，以使水对着旁通阀30的后溅射的可能性最小化。
重要的是确保旁通阀30在系统10启动时可操作，因为会需要打开阀30以稀释阴极排气线26中的氢。如本领域技术人员知晓的，可以在系统10启动时使用线36将氢加入到阴极进口线22，从而使用阴极催化加热来加热燃料电池堆12。这会导致离开系统10的氢的百分比超过预定限度。因此，旁通阀30必须能够在阴极排气线26中的氢离开系统10之前利用阴极进口空气稀释所述氢，即，旁通阀30必须在系统启动时可操作。
图4是图1中示出的区域46的分解图。阴极进口线22供给到增压空气冷却器64中，后者操作以使用冷却剂线66以本领域技术人员已知的方式冷却来自线22的阴极空气。通过研究已经发现，测量阴极空气的压力的压力传感器68的策略布置对于避免由于会导致错误读数的在压力传感器68的组件上的水冻结导致的错误的压力传感器读数是关键的。来自压力传感器68的读数用于对跨水蒸气输送单元（WVT）24和增压空气冷却器64的压力降的估计进行建模以及用于预测堆内的和压缩机外的压力。已知的是将压力传感器68设置在阴极进口线22的位于WVT单元24和堆12之间的部分中。然而，因为WVT单元24将水加入到阴极进口线22，所以已经发现水会在压力传感器68上冻结并导致如上所述的错误读数。将压力传感器68设置在阴极进口线22的与在图4中示出的增压空气冷却器64的区域相比更靠近压缩机20的区域中也存在问题，因为在热的潮湿条件下例如在炎热的夏天，出自压缩机20的阴极进口空气的温度对于压力传感器68提供精确读数而言可能也过高。出自压缩机20的阴极空气的温度会是例如150℃，这对于可用作压力传感器68的普通压力传感器的额定温度而言过高。为了避免使用具有较高额定温度的较为昂贵的压力传感器和/或具有加热器的传感器，已经发现，重要的是将压力传感器68放置在位于增压空气冷却器64的下游和WVT单元24的上游的区域处的阴极进口线22中，如图4中示出。
图5是图1中示出的区域48的分解图。如上面讨论的，WVT单元24用于使阴极进口线22中的阴极进口空气湿化。然而，期望的是仅将水蒸气提供到燃料电池堆12而非液态水，因为例如液态水会阻挡位于燃料电池堆12中的流道，这对本领域技术人员来说是已知的。为了避免添加液态水，可以包括泄放装置70，从而将液态水捕获在泄放装置70的集水区域72中。在泄放装置70中不包括阀，因为阀将需要额外成本并且会冻结。而是，在泄放装置的底部处设置孔74。来自阴极空气流的压力推动由泄放装置70捕获的水穿过孔74并进入阴极排气线26。预期到来自阴极空气流的少量空气会逃逸穿过孔74，然而损失的空气量预计足够少，其对系统10的燃料经济性不产生影响，因为压缩机20无需更努力地工作来弥补损失的空气。过滤器76靠近孔74设置在泄放装置70中，以防止颗粒堵塞孔74。
在系统10的停用时，阴极子系统通常用水进行吹扫，这对于本领域技术人员来说是已知的。然而，水仍会在孔74附近累积和冻结。为了在燃料电池系统10的启动之后立即清理结冰的泄放装置70和孔74，泄放装置70的包括过滤器76和孔74的区域向下延伸到阴极排气线26中，从而来自阴极废气的热会使孔74解冻。预计集槽72将无冰或至少部分地无冰，因此系统10可以在无需使可能围绕孔74形成的冰首先解冻的情况下启动。为了在系统10启动之后快速地使孔74解冻，泄放装置70的区域78可以由导热材料例如导热金属制成，从而快速地传递来自阴极废气的热，以使孔74解冻。期望的是，区域78在阴极排气中，从而避免导热材料暴露于冷空气。可选地，如果区域78从阴极排气延伸出，则其可以是隔热的。当处于阴极废气中的具有高热容的热水滴碰击导热区域78时，预计已经在区域78中冻结的任何水解冻。此外，当冰变得薄得足以推出时，集水装置中的△压力（dP）有助于清理冰。只要孔74能够在泄放装置70装满水之前泄放水，预计燃料电池系统10将适当地运行。为了确保在停用时水不在泄放装置中，还可以使用二级泄放冻结策略，其包括最初的泄放和大体积（bulk）水去除，紧接着是堆吹扫和随后二次泄放以从堆吹扫消除额外的水。
图6是图1中示出的区域50的分解图。如图6中示出的阴极排气线26中的阴极背压阀34是设置在阴极排气线26中的山丘形区域80中的倒置P型疏水阀（P-trapvalve），使得重力牵拉水远离阀34，由此防止阀冻结。山丘形区域80必须具有足够的提升以说明燃料电池系统10可能经历的斜坡的变化。例如，包括系统10的车辆停放在具有斜坡的车道上。举例而言，可通过山丘形区域80说明17°的坡度。不幸地，由于封装约束，并非全部燃料电池系统均能够使用在图6中示出的设计。因此，可需要另一技术来防止背压阀34的冻结。
图7也是区域50的分解图并且是可用于防止阴极排气线26中的背压阀34冻结的另一设计。根据该设计，背压阀34在滴槽（driprail）82的下游的区域中设置在阴极排气线26中。滴槽82包括突出，其以被动的非电方式阻止冷凝水集中到背压阀34中。滴槽82可以是锥形的，从而便于模具脱离。水滴从滴槽82落到浅的集槽84。集槽84被设计为足够浅，从而可以在正常的燃料电池系统10的操作期间从集槽84清除水。举例而言，集槽84可以保持大约5cc的水。由集槽84保持的最佳水量将取决于系统设计。
滴槽82必须足够长，以说明燃料电池系统10可能经历的斜坡的变化，例如包括系统10的车辆停放在具有斜坡的车道上。举例而言，可以通过滴槽82说明17°的坡度。可以通过增加滴槽的长度来说明更陡的坡度。例如，如果将图7逆时针旋转17°，则水滴仍需要落到集槽84中。因此，滴槽82必须能够说明倾斜度。
如下面将详细地讨论的，控制器32可以执行燃料电池系统10的停用过程，其基于各种因素选择性地确定是否将执行冻结吹扫，从而除非其是必要的，否则将不执行冻结吹扫，并因此可以有效地使用诸如氢燃料的系统资源，并且可以减少膜的RH循环以增加堆耐用性。如上讨论的，当系统10被切断以使系统10在系统停用之后继续运行某一时间段时，冻结吹扫是延长的吹扫。将理解的是，与短的快速吹扫相比，在此讨论的冻结吹扫对于在冻结启动以下更加稳健，以从在每一停用时执行的堆12的流道去除水，除非不执行冻结吹扫。考虑的一些因素可以是区域44、46、48和50是否可能正在经历它们相应的组件的冻结，如上讨论的。可以测试具有在上面讨论的区域44、46、48和50中描述的一个或多个组件的系统10，以查明哪一个区域最有可能经历冻结问题，即，阴极子系统中的哪一个组件最弱。当识别出最弱的组件时，将温度传感器设置在识别出的最弱的区域附近，或者使用控制器32的算法来建模该区域的温度，以确定弱的组件可能在何时冻结。例如，背压阀34可以是上面描述的系统10中的最弱的组件。
图8是示出用于选择性地确定在燃料电池系统停用时是否应当执行燃料电池堆12和阴极子系统的冻结吹扫的算法的操作的流程图90。算法在框92处确定车辆驾驶员已经将系统10切断，然后确定膜湿化值λ是否小于预定的λ值，如在2012年9月28日提交的序列号为13/631,515、名称为“AutomatedColdStorageProtectionForaFuelCellSystem”的美国申请中所描述的，其在2014年4月3日公布为美国专利申请公布No.US2014/0093801A1，转让给本申请的受让人并通过引用并入本文。如上讨论的，λ是堆12中的燃料电池的膜中的水分子的表示，其中，值λ越高，存在的水分子越多。执行确定λ值，因为可能存在未在堆12中产生大量水的特定时间，例如当系统10仅已经运行短时间段时，此时λ值将指示冻结吹扫是不必要的。当包括系统10的车辆被启动并仅操作短暂时间段时，例如当使车辆从一个位置移动到另一位置以允许除雪等时，这会发生。举例而言，已经确定出4或更小的λ值指示足够干的膜，其中，堆12内的冻结水在下一系统启动时将不成问题。可以通过本领域技术人员已知的任何适当的方式来确定λ值。还已知的是监测燃料电池堆12的阴极空气的进口相对湿度，其可随后用于确定λ值。可以基于阴极进口空气的RH和燃料电池基于堆电流密度将产生的水的量而采用模型。根据确定的λ值或所建模的值，可以估计阴极子系统的区域44、46、48和50中的水的量。
如果在决策菱形94处λ值大于4，意味着在电池膜中存在大量水，那么算法前进至决策菱形96，以确定冻结吹扫是否必要。具体地，算法确定环境温度是否小于特定的非常低的温度，例如-15℃，其中，冻结吹扫停用顺序将是必要的，因为堆12和/或一个或多个阴极子系统组件在下一系统启动时将可能冻结。-15℃的温度被认为是非限制性示例，并且是基于特定燃料电池系统的各种系统参数和测试技术的可校准温度。因此，其它温度可更适合于其它系统。如下面将详细地讨论的，如果在系统停用时不执行冻结吹扫，则算法定期地唤醒控制器32以确定冻结吹扫自上一次系统停用是否已经变得必要。冻结吹扫是否变得必要的这种定期确定需要在冻结吹扫之前系统加热，这需要显著的氢燃料来执行加热并然后冻结吹扫。在非限制性实施例中，选择-15℃的温度作为最佳温度，从而如果环境温度低于最佳温度，则当堆12可能已经热时将立即执行冻结吹扫，以节省在冻结吹扫之前的加热过程所需的燃料，如下面更详细地讨论的。
如果在决策菱形96处环境温度比-15℃热，意味着冻结启动程序将不太可能，那么算法前进至框98，以确定是否需要停用阴极辅助设备加热过程来将辅助设备温度升至某预定值，例如10℃，也如下面更详细地讨论的。此步骤通常是不需要的，因此，算法将越过它，但对于冷的但不冻结的快速切断（例如-10℃环境启动、5°的辅助设备温度和15秒运行至切断）可能是需要的。
然后，算法在框100处使系统10执行不包括冻结吹扫的常规非冻结停用。停用过程执行堆12的快速停用吹扫，例如以30g/s的吹扫流量持续2秒，其中，流率和时间将基于堆12和阴极辅助设备的温度。这种非冻结吹扫去除各种通道中的水，以防止上面详细讨论的由于阴极辅助设备组件的水冻结导致的堆损坏。
然后，算法在框102处确定唤醒时间Twake，这将使控制器32唤醒以确定自在框100处已经执行非冻结停用以来冻结吹扫是否已经变得必要。具体地，例如，使用可校准的温度函数Twake=f(Tamb,Tbop)来确定下一次控制器唤醒时间，其中，Tbop是最弱的辅助设备组件例如背压阀34的温度，Tamb是环境温度。执行在框98处的处理，从而如果堆12已经仅运行短的时间段，此时阴极辅助设备相对冷且在决策菱形96处环境温度大于-15℃，则将最弱的辅助设备组件例如背压阀34的温度升至某预定温度，例如10℃，从而在框102处确定的唤醒时间Twake的确定中使用的辅助设备的温度足够高以避免非常短的Twake时间。如果Twake非常小，则其引起另外的冻结吹扫循环，其可能会是不必要的，如果驾驶员打算在短时间后重新启动汽车或者如果环境温度正在升高的话。一旦时间Twake被确定，控制器32在框104处转至休眠，直到时间Twake已经逝去为止。在一个实施例中，提供了查询表，其对于用于温度函数的环境温度Tamb和辅助设备温度Tbop的可能组合值给出了唤醒时间Twake。
当控制器32在Twake已经逝去之后唤醒时，算法在决策菱形106处确定用于环境温度Tamb和辅助设备温度Tbop的组合的函数f(Tamb,Tbop)是否在存在堆冻结风险的预定温度例如5℃以下。如果在决策菱形106处温度函数不小于预定温度，则算法在框102处使用查询表基于新的环境温度Tamb和辅助设备温度Tbop来重新设定唤醒时间Twake，并继续此循环，直到存在下面讨论的曲轴请求或者在决策菱形106处温度函数已经降至预定温度以下为止。算法使用环境温度Tamb和辅助设备温度Tbop的组合，因为这些温度的不同组合可以使控制做不同的事情。例如，如果辅助设备温度Tbop为2℃，但环境温度Tamb为6℃，则算法可以不涉及阴极子系统辅助设备温度，因为环境温度正在变暖，并且辅助设备温度将相应地跟从。如果环境温度Tamb高于辅助设备温度Tbop，则一个可能的函数可以总是利用新计算的唤醒时间将控制器32设置回至休眠模式下。
如果在决策菱形106处温度函数在预定温度以下，以指示可能的冻结条件，则算法在框108处开始系统10的自动启动，以增加阴极子系统辅助设备的温度。自动启动是燃料电池堆12的最小操作，此时各种辅助源例如灯、雨刷、广播、AC等保持关闭。在自动启动之后，预期到冻结吹扫，系统10在框110处被加热，并随后在框112处被停用。加热过程可以在任何合适的堆电流密度下被执行至任何合适的温度。在一个非限制性示例中，压缩机20在30kW下操作，12%氢气被提供到阴极，执行加热至70℃的堆温度并在此温度下保持30秒，其中，30秒是基于测试和实验的非限制性的可校准时间。将加热过程保持校准的时间段，从而包括端电池和阴极子系统辅助设备组件例如阀和管道的所有系统组件已经达到期望的温度，这里为70℃。然后，在框112处执行冻结吹扫，并且控制器32在框114处进入休眠而未对唤醒给予过多关注以确定冻结吹扫是否必要。
如果算法在决策菱形96处确定出环境温度Tamb在校准温度-15℃以下，则算法直接前进至在框110处的停用加热过程，以准备在框112处的冻结吹扫。如上讨论的，如果在决策菱形96处环境温度Tamb在可校准温度以下，则堆12和阴极子系统辅助设备组件几乎确信地将在下一次系统启动时被冻结，如果在框100处执行正常的停用，则这将需要在框110处的加热过程。因为堆12和阴极辅助设备组件有可能已经处于或接近当其停用时在框110处加热所需的70℃温度，所以算法直接前进至框110，以在这种情况下在框112处执行冻结停用。
如果在决策菱形94处λ值小于4，则算法在决策菱形116处确定最后的系统停用是否为冻结停用，如果否，则直接前进至框102，以确控制器32的下一唤醒时间，从而确定在框108处自动启动是否必要。如果在决策菱形116处最后的停用是冻结停用，则算法直接前进至框114，直到曲轴请求为止。
上面讨论的停用顺序和切断可以在任何时间由对车辆启动顺序的曲轴请求所中断。本发明认识到这一点，并允许停用顺序在任何时间被中断以响应于曲轴请求。具体地，在框98、100、104、110、112和114中的每个处，如果接收到曲轴请求，则算法将前进至框118，在此处算法将随后停止其当前所处的停用步骤，并直接前进至在框120处的正常启动顺序。
如本领域技术人员将很好地理解的，本文用于描述本发明所讨论的若干个和不同的步骤和方法可以参考由利用电现象操纵和/或转变数据的计算机、处理器或其它电子计算装置执行的操作。这些计算机和电子装置可以采用各种易失性和/或非易失性存储器，包括具有存储在其上的可执行程序的非临时性计算机可读介质，可执行程序包括能够由计算机或处理器执行的各种代码和可执行指令，其中，存储器和/或计算机可读介质可以包括所有形式和类型的存储器和其它计算机可读媒介。
前面的讨论仅公开并描述了本发明的示例性实施例。本领域技术人员根据这样的讨论并根据附图和权利要求将容易地认识到，在不脱离如在下面的权利要求限定的本发明的精神和范围的情况下，可以在此做出各种改变、修改和变形。

Claims (10)

1.一种具有阴极子系统的燃料电池系统，所述阴极子系统包括：
燃料电池堆；
向所述燃料电池堆提供阴极空气的阴极进口线；
将阴极废气从所述燃料电池堆排出的阴极排气线；以及
在所述阴极排气线中的背压阀，所述背压阀位于所述阴极排气线的滴槽的下游，其中，所述滴槽包括防止冷凝水在所述背压阀附近累积的突出，所述滴槽还包括收集来自所述滴槽的所述突出的冷凝水滴的集槽。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，还包括被编程为确定所述背压阀的温度并估计所述背压阀附近的液态水的控制器，所述控制器在所述温度和所述背压阀附近的液态水达到预定门限值时执行冻结吹扫策略。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，还包括使用旁通阀将阴极进口空气选择性地引导至所述阴极排气线的旁通线，所述旁通阀在所述旁通线中位于所述阴极进口线附近，所述旁通线包括位于所述旁通阀的下游的至少一个转弯，所述至少一个转弯防止所述阴极排气线中的水回溅到所述旁通阀。
4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，还包括在所述阴极进口线中的增压空气冷却器和水蒸气输送单元，其中，所述增压空气冷却器位于所述阴极进口线中并供给到所述阴极进口线中的所述水蒸气输送单元中，所述增压空气冷却器由冷却剂循环来冷却，其中，压力传感器设置在所述增压空气冷却器上，从而在空气被所述增压空气冷却器冷却之后测量所述阴极进口空气的压力，并在所述水蒸气输送单元将水加入到所述阴极进口空气之前测量所述阴极进口空气的压力。
5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，还包括直接在所述水蒸气输送单元下方的泄放装置，所述泄放装置包括集槽，所述集槽通过孔将来自所述水蒸气输送单元的液态水泄放到所述阴极排气线中。
6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，还包括直接在所述孔上方的位于所述泄放装置中的筛网，其中，所述泄放装置的包括所述孔和所述筛网的部分延伸到所述阴极排气线中，从而来自所述阴极排气线的热能够使可能在所述泄放装置的所述孔处累积的冰融化。
7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述泄放装置的在所述筛网和所述孔附近的部分由导热材料制成。
8.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述背压阀是位于所述阴极排气线的山丘形区域中的倒置P型阀。
9.一种具有阴极子系统的燃料电池系统，所述阴极子系统包括：
燃料电池堆;
将阴极进口空气提供到所述燃料电池堆的阴极进口线；
将阴极废气从所述燃料电池堆排出的阴极排气线；
将来自所述阴极废气的湿度传递到所述阴极进口空气的水蒸气输送单元；以及
位于所述阴极进口线中并供给到所述水蒸气输送单元中的增压空气冷却器，所述增压空气冷却器由冷却剂循环来冷却，其中，压力传感器设置在所述增压空气冷却器上，从而在空气被所述增压空气冷却器冷却之后测量所述阴极进口空气的压力，并在所述水蒸气输送单元将水加入到所述阴极进口空气之前测量所述阴极进口空气的压力。
10.一种具有阴极子系统的燃料电池系统，所述阴极子系统包括：
燃料电池堆；
将阴极进口空气提供到所述燃料电池堆的阴极进口线；
将阴极废气从所述燃料电池堆排出的阴极排气线；以及
使用旁通阀将阴极进口空气选择性地引导至所述阴极排气线的旁通线，所述旁通阀在所述旁通线中位于所述阴极进口线附近，所述旁通线包括位于所述旁通阀的下游的至少一个转弯，所述至少一个转弯防止所述阴极排气线中的水回溅到所述旁通阀。
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