CN107210461A - 燃料电池和冷却剂储存 - Google Patents

Abstract

本申请公开一种操作包括燃料电池组件的燃料电池系统的方法，燃料电池组件被配置成从燃料流和氧化剂流产生电功率，方法包括第一阶段和随后的第二阶段，第一阶段包括：用氧化剂流与燃料流的第一化学计量比操作燃料电池组件，以产生电功率；将所述产生的电功率提供到加热器元件，用于加热用于供应到所述燃料电池组件的冷却剂；第二阶段包括：将在第一阶段中加热的冷却剂递送到燃料电池组件；用氧化剂流与燃料流的第二化学计量比操作燃料电池组件，以产生电功率，第二化学计量比低于第一比。

Description

燃料电池和冷却剂储存

技术领域

本发明涉及包括燃料电池组件和冷却剂存储箱的燃料电池系统的操作的方法。本发明还涉及包括所述燃料电池组件和冷却剂存储箱的燃料电池系统。

背景技术

常规电化学燃料电池将燃料和氧化剂转换成电能和反应产物。常见类型的电化学燃料电池包括膜电极组件(MEA)，膜电极组件(MEA)包括在阳极和阴极之间的聚合物离子(质子)转移膜和气体扩散结构。燃料(诸如氢)和氧化剂(诸如来自空气的氧气)经过MEA的相应侧，以产生电能和水作为反应产物。可以形成堆/堆叠，该堆包括被布置成具有单独的阳极和阴极流体流动路径的若干此类燃料电池。这样的堆通常用块的形式，块包括通过端板在堆的任一端保持在一起的很多单个燃料电池板。

重要的是，为了有效的操作，聚合物离子转移膜保持水合(hydrated)。还重要的是，控制堆的温度。因此，冷却剂可以被供应到堆，用于冷却和/或水合(hydration)。于是，例如，燃料电池系统可以包括用于存储用于燃料电池堆的水合和/或冷却的水的储水箱/冷却剂存储箱。如果在零下条件下存储或操作燃料电池系统，则燃料电池堆和储水箱中的水可以结冰。结冰的水可以致使堵塞，该堵塞阻碍将冷却剂或结合水供应到燃料电池堆。当燃料电池系统关闭，并且因而储水箱中的水不再由通过堆的其通路加热，并且可完全结冰时，这是一个特别的问题。在这样的事件中，充分的液态水可能不可用于水合和/或冷却。这可防止燃料电池组件重新启动或以全功率操作，直到已经解冻结冰的水。已知在燃料电池系统中提供加热器，加热器在存储的能量(诸如来自蓄电池的)下操作，并且维持燃料电池系统处于零度以上的温度以防止发生结冰。然而，蓄电池功率是有限的，并且如果蓄电池故障或放电，则燃料电池系统可经历结冰。

发明内容

根据本发明的第一方面，我们提供一种操作包括燃料电池组件的燃料电池系统的方法，燃料电池组件被配置成从燃料流和氧化剂流产生电功率，方法包括第一阶段和随后的第二阶段，第一阶段包括：

用氧化剂流与燃料流的第一化学计量比操作燃料电池组件，以产生电功率；

将所述产生的电功率提供到加热器元件，用于加热用于供应到所述燃料电池组件的冷却剂；

第二阶段包括：

将在第一阶段中加热的冷却剂递送到燃料电池组件；

用氧化剂流与燃料流的第二化学计量比操作燃料电池组件，以产生电功率，第二化学计量比低于第一比。

这是在结冰条件下用于启动蒸发冷却的燃料电池组件(诸如燃料电池堆)的有利的方法。系统通常包括包含液体冷却剂的冷却剂存储模块，液体冷却剂可以在寒冷条件下结冰。可以选取第一化学计量比以充分冷却燃料电池组件，从而可以产生用于组件自身的充足的功率来为加热器供电，以解冻结冰的冷却剂。然后，可以递送液体冷却剂，并且减少化学计量比以提高效率，并且继续冷却剂的解冻。第一阶段是有利的，因为第一阶段可以在将冷却剂释放到燃料电池组件中之前，为燃料电池系统的操作以及预定量冷却剂的解冻提供条件。当解冻更多的冷却剂且另外加热解冻的冷却剂时将解冻的冷却剂维持在冷却剂存储模块中可以是有利的，因为解冻的冷却剂不太可能在通向组件的管道中重新结冰，并且可以提供预定量的冷却剂以可用于第二阶段的可靠的开始。

可选地，第二阶段包括将所述产生的电功率提供到加热器元件或不同的加热器元件用于加热用于供应到所述燃料电池组件的冷却剂的步骤。该不同的加热器元件可以被提供用于在第二阶段的激活。这可以是有利的，因为第二加热器元件可以位于冷却剂存储模块中的不同地方，用于解冻结冰的冷却剂的不同区域。供选择地，可以在第二阶段中激活相同的加热器元件或激活多个加热器组件的组合。加热器元件或另外的加热器元件可以是将来自燃料电池系统的较热的部分(诸如氧化剂流压缩机)的热量移动到较冷的水存储模块的欧姆加热器、燃气加热器、热导管或热交换器。

可选地，方法包括仅在所述第二阶段中将所述产生的功率的至少一部分提供到在燃料电池系统外部的负载。因此，在第一阶段中，超过操作燃料电池系统(即，寄生负载)所需要的所有可用的功率可以被提供到加热器元件用于解冻冷却剂。供选择地，预定最小份额或最小绝对量的产生的功率可以被提供到加热器元件。因此，在至少第一阶段且可能第二阶段中将冷却剂的解冻置于优先位置。如果加热器元件在第一阶段中不需要所有可用的功率，则将了解，超过的功率可用于其它用途，诸如为可以是车辆或与车辆相关联的辅助系统的负载供电。

可选地，第一阶段包括将燃料流供应压力设置为第一压力，并且第二阶段包括将燃料流供应压力设置为高于第一压力的第二压力。

可选地，在所述第一阶段中，操作燃料电池系统的步骤包括从关闭状态操作燃料电池系统，使得所述第一阶段包括燃料电池系统的起动阶段。该方法特别适合于在关闭时经历结冰条件之后燃料电池系统的起动。

可选地，方法包括以下步骤：确定燃料电池系统的温度，并且如果所确定的温度低于预定温度，则实行第一阶段和第二阶段，并且如果温度大于预定温度，则操作燃料电池系统，而不将功率提供到加热器元件。如果所确定的温度大于预定温度，则该方法可以被配置成利用第二方面的注水控制器。可以通过测量(诸如在冷却剂存储模块中的)冷却剂的温度，或围绕燃料电池系统的周边环境的温度，确定燃料电池系统的温度。

可选地，当满足一个或更多个标准时，第一阶段结束，并且第二阶段开始，标准包括i)预定量的液体冷却剂可用于递送到燃料电池组件，ii)预定量的电功率或电能已经被供应到加热器元件，iii)加热器元件已经在高于设置点电压操作了预定时间，iv)通过燃料电池组件的氧化剂流的温度(诸如阴极排气温度)高于预定氧化剂温度，v)燃料电池组件(诸如外壳或其它外部或内部部分)的温度高于预定组件温度。这些标准(以及潜在地其它的)指示燃料电池性能以及在第二阶段中用于供给到燃料电池组件的冷却剂的可能的可用性。

可选地，在第一阶段中，操作燃料电池组件的步骤包括以预定电流输出操作所述组件。预定电流输出可以包括低于燃料电池组件的最大输出的电流输出。

可选地，在第一阶段中，操作燃料电池组件的步骤包括逐渐地增加燃料电池组件的电流输出以满足预定电流输出。已经发现电流输出的斜升在确保将适量的功率提供到加热器元件，同时维持横跨燃料电池组件的电气平衡上是有效的。

可选地，基于燃料电池组件性能的测量值，修改预定电流输出，和/或主动/积极(actively)控制电流输出的逐渐增加。可选地，燃料电池组件包括多个燃料电池，并且燃料电池组件性能的测量值包括形成燃料电池组件的多个燃料电池中的燃料电池或燃料电池组的最小电压。因此，监测响应于所需要的电流输出的燃料电池组件性能的监测，以便在没有提供有冷却剂的情况下，燃料电池组件不会过载。

可选地，在第一阶段期间，在将预定量能量供应到加热器元件之后，激活与该加热器元件不同的第二加热器元件。这可以包括关闭该加热器元件。

可选地，在所述第二阶段期间，将冷却剂递送到燃料电池组件包括在第一时间段内以第一速率递送所述冷却剂，并且随后以低于第一速率的第二速率递送所述冷却剂。初始高流速是有利的，因为初始高流速快速填装冷却剂管路、水合并冷却燃料电池组件。将了解，可以使用第三流速或另外的流速。

可选地，在第二阶段中，在将冷却剂递送到燃料电池组件之后，采用第二化学计量比。因此，维持使用氧化剂流的冷却，直到液体冷却剂被提供到燃料电池组件。

可选地，在第一阶段期间，燃料电池组件未提供有冷却剂。因此，第一阶段集中于在冷却剂存储模块中融化一定量的冷却剂用于在第二阶段中进行递送。

可选地，在第一阶段中，由燃料电池组件产生的功率被提供到氧化剂压缩机，用于将氧化剂驱动到燃料电池组件中。因此，可以通过压缩机的控制来控制化学计量比，压缩机被配置成驱动空气通过燃料电池组件的阴极流道。

可选地，在第二阶段中，操作燃料电池组件的步骤包括以与第一阶段期间的功率输出相比更大的功率输出操作燃料电池组件。既然液体冷却剂是可用的(尽管比正常更少的量，例如，由于不是所有的冷却剂被解冻)，就可以以更高的功率输出操作燃料电池组件。这可帮助解冻剩余的结冰的冷却剂。

可选地，第二阶段包括以下步骤：将所述产生的电功率提供到不同的加热器元件，用于加热用于供应到所述燃料电池组件的冷却剂，直到该不同的加热器元件已经被供应有预定量的功率和/或该不同的加热器元件已经在高于设置点电压操作了预定量时间。

可选地，燃料电池组件包括多个燃料电池，并且在第二阶段期间，方法包括以下步骤：监测在组件中的燃料电池的电压，以确定由燃料电池中的任一个燃料电池或任一组燃料电池输出的最小电压，从而确定所确定的最小电压是否低于预定最小电池电压，并且如果是这样，则增加到燃料电池组件的冷却剂的供应速率。方法可以包括以下步骤：确定到燃料电池组件的冷却剂的当前流速是否处于预定最大值和/或是否存在冷却剂存储模块中可用的冷却剂，并且如果任一个或两者为真，则减少燃料电池组件上的负载。

根据本发明的第二方面，我们提供了一种包括燃料电池组件的燃料电池系统，燃料电池组件被配置成从燃料流和氧化剂流产生电功率，并且接收用于冷却燃料电池组件的液体冷却剂，燃料电池系统被配置成根据第一方面的方法操作。

可选地，燃料电池系统包括冷却剂存储模块，并且加热器元件位于冷却剂存储模块中。可选地，燃料电池系统包括冷却剂存储模块，冷却剂存储模块包括加热器元件以及与加热器元件间隔开的不同的加热器元件，加热器元件和不同的加热器元件都位于冷却剂存储模块中。冷却剂存储模块可包括多个隔室，其中，加热器元件和另外的加热器元件在不同隔室中。这限制任一个加热器元件需要融化的结冰的冷却剂的体积。

将了解，燃料电池系统可以包括被配置成实行第一方面的方法步骤的控制器。

根据另外的方面，我们提供了一种包括指令的计算机程序产品，该指令用于在具有处理器和存储器的计算设备上执行以实行第一方面的方法。

我们公开了一种用于燃料电池系统的冷却剂注入控制器，冷却剂注入控制器被配置成响应于燃料电池组件性能的测量值，积极/主动(actively)控制到燃料电池组件的冷却剂流，用于冷却和/或水合燃料电池组件。

供应到燃料电池组件的冷却剂的主动控制是有利的，因为可以控制冷却剂流，以确保燃料电池组件的可靠性和有效性。

可选地，燃料电池组件性能的测量值包括燃料电池组件的电输出的测量值。已经发现燃料电池组件或组件中的单个燃料电池或几组燃料电池的电输出为关于冷却剂供应的燃料电池组件性能的良好指标。

可选地，燃料电池组件性能的测量值包括通过燃料电池组件的反应物流的温度的测量值。特别地，反应物流可以包括排气流，诸如阴极排气流。

可选地，冷却剂注入控制器被配置成：如果燃料电池组件性能的测量值低于预定阈值，则提供第一操作模式，并且如果燃料电池组件性能的测量值高于预定阈值，则提供第二操作模式，第一模式和第二模式具有不同的冷却剂注入剖面。这是有利的，因为本发明提供了冷却剂注入的准确控制，并且可以确保不会提供过多的冷却剂。然而，已经发现很难测量低流速，诸如当燃料电池组件具有低输出时需要的。因而，不同的冷却剂注入剖面可以被用于维持精确程度。

可选地，在第一操作模式中，冷却剂注入剖面提供在至少两个不同注入流速之间交替的冷却剂的注入。因此，可以使用高流速和低流速将冷却剂脉冲进入燃料电池组件中。

可选地，在第二操作模式下，控制器被配置成提供冷却剂注入剖面，其中响应于燃料电池组件性能的测量值，逐渐控制冷却剂流速。该控制可以与燃料电池组件性能的测量值成比例，或逐步控制该控制。可选地，在第二操作模式下，控制器被配置成响应于燃料电池组件性能的测量值，提供闭环反馈，以控制冷却剂流速。

可选地，在第二操作模式下，控制器被配置成基于燃料电池组件性能的测量值，逐渐控制冷却剂流速。

可选地，第二操作模式，控制器被配置成响应于冷却剂流速达到最大阈值速率，减少燃料电池组件的电功率输出。因此，如果冷却剂流不能将燃料电池性能维持在限制内，则可以减少燃料电池组件的功率输出。

附图说明

现在仅以示例的方式，参考附图详细描述本发明的实施例，在附图中：

图1示出示例燃料电池系统的示意图；

图2示出例示燃料电池系统的操作的方法的第一流程图；

图3示出例示燃料电池系统的操作的方法的第二流程图；

图4示出例示燃料电池系统的操作的方法的第三流程图；以及

图5示出例示燃料电池系统的操作的方法的第四流程图。

具体实施方式

附图示出燃料电池系统1，燃料电池系统1包括燃料电池组件2和冷却剂存储模块3。在该示例中，燃料电池组件2包括燃料电池堆，燃料电池堆包括堆叠在一起的多个质子交换膜燃料电池。燃料电池组件2包括蒸发冷却的燃料电池组件。在该示例中，冷却剂包括水，但是将了解，可以使用其它冷却剂，诸如乙二醇或水溶液。在该示例中，冷却剂或水存储模块3存储用于燃料电池组件2的水合和/或蒸发冷却的纯水。

在结冰条件的事件中，模块3中的水可以结冰。当系统1断电时，系统1可不包括或可不使用辅助加热器来维持零上的温度。在重新启动系统1时，可需要水用于冷却燃料电池堆2和/或形成堆的燃料电池的燃料电池膜的水合。因此，如果在箱1中的水结冰，则必须快速解冻水，使得水可用于堆3。所公开的系统不需要任何外部低压电源或高压电源，而是操作以使得液体冷却剂在系统自己产生的功率下可用。这是有利的，因为由组件/堆自身而不是通过消耗蓄电池产生融化冰所需要的功率。已知蓄电池可在寒冷的温度下经历低性能，并且因而使用燃料电池组件功率是有益的。

燃料电池组件2被配置成通过阳极入口4接收燃料(诸如氢)流，并且通过阴极入口5接收氧化剂(诸如空气)流。阳极排气6被提供用于允许燃料流通过。阴极排气7被提供用于允许氧化剂流通过。将了解，排气流还携带反应副产物和可能已经通过组件2的任何冷却剂/水合液体。阴极排气7可以包括冷却剂分离器8，以将冷却剂(水)与阴极排气流分离。分离的水被存储在冷却剂存储模块3中。将了解，虽然该示例示出已经通过堆的水冷却剂的再循环，但是本发明适用于不使冷却剂再循环或以不同的方式使冷却剂再循环的系统。

冷却剂存储模块3通过管道连接到燃料电池组件，但是将了解，模块3可以与堆中的燃料电池集成。冷却剂存储模块3连接到阴极入口5，以允许将冷却剂引入到阴极流中，用于燃料电池组件2的蒸发冷却。可以通过单独的管道将冷却剂引入到堆中。

冷却剂注入控制器10被提供用于控制从冷却剂存储模块到燃料电池组件2的冷却剂流。冷却剂注入控制器10可以将控制信号提供到泵11，以控制将水递送到燃料电池组件2。控制器10还可以控制位于冷却剂存储模块3中的加热器元件12、加热器元件13。控制器10还可以以一个或更多个传感器14的方式接收燃料电池组件2的性能的一个或更多个测量值。

加热器元件12、加热器元件13包括第一加热器元件12和与第一加热器元件12间隔开的第二加热器元件13。冷却剂存储模块3可以包括多个冷却剂存储箱，多个冷却剂存储箱被配置成将冷却剂供应到燃料电池组件，并且每个冷却剂存储箱具有一个或更多个加热器元件。一个或更多个加热器元件可以是电力供电的或燃烧能量供电的，并且包括散热元件，散热元件可以包括将来自燃料电池系统的一个部分的热量移动到燃料电池系统的另一个部分的电阻加热器或热导管或热交换器。例如，驱动氧化剂通过燃料电池组件的压缩机可以在燃料电池组件的起动之后，相对快速地变暖，并且因而使用热交换器以及工作流体和/或热导管将热量从压缩机移动到冷却剂存储模块可以是有利的。

冷却剂注入控制器10可以形成燃料电池系统控制器15的一部分，用于控制燃料电池系统的另外的操作。

转到图2，示出燃料电池系统1的操作的示例方法。可以由燃料电池系统控制器15实行方法。实行操作方法以使得燃料电池系统能够在寒冷或结冰的周边条件下使用时有效地启动。在寒冷或结冰的周边条件下，存在因冷却剂在冷却剂存储模块3中结冰而造成由燃料电池组件2需要的冷却剂可能不可用的风险。对燃料电池系统来说识别何时可能存在结冰的风险且相应地修改其操作以使得能够可靠地起动燃料电池系统很重要。当燃料电池系统1为车辆提供动力时，这是特别重要的。车辆的用户将预期燃料电池系统可靠地启动且能够在广泛的操作环境中为车辆提供有效功率。这是一个挑战，因为考虑到有效操作由燃料电池组件需要的资源诸如冷却剂至少在最初阶段可能不能使用。

图2示出将燃料电池系统1打开以操作燃料电池组件2的步骤20。这可包括电气系统诸如控制器10、控制器15的上电，以启动燃料电池组件2。这可以发起通过入口4、入口5将燃料和氧化剂供应到燃料电池组件2，或这可以在下面讨论的步骤21之后实行。如之后讨论的，可以控制燃料和氧化剂的相对流速，以实现特定化学计量比。

步骤21示出确定燃料电池系统1的温度。因此，燃料电池系统控制器15可以使用(一个或更多个)温度传感器14确定在燃料电池系统(诸如在堆或水存储模块3)周围和/或系统1的周围的周边环境中的一个或更多个位置处的温度。将所确定的温度或多个温度测量值的最小值或最大值或平均值与预定温度阈值比较，以确定冷却剂结冰的风险。在该实施例中，预定温度阈值被设置在小于10℃的温度处。如果所确定的温度低于预定温度，则在进入正常操作模式之前，方法进行到使用由步骤22和步骤23表示的两个阶段方法操作燃料电池系统，下面将对此进行更详细地讨论。如果所测量的温度大于或等于预定温度，则燃料电池系统在由步骤24表示的“正常操作模式”下操作。在正常操作模式下，燃料电池系统可能不会将功率提供到加热器元件12、加热器元件13，但是下面将对此进行更详细地讨论。将了解，预定温度可以是0℃、1℃、2℃、3℃、4℃、5℃、6℃、7℃，或与燃料电池系统需要的冷却剂或其它可结冰的资源的结冰点相关的某个其它值。

步骤25表示燃料电池系统的停机，诸如停止燃料和氧化剂的供应。步骤26表示燃料电池系统控制器15使用(一个或更多个)温度传感器确定燃料电池系统和/或系统1周围的周边环境的温度。如果检测的温度低于温度阈值或不同的温度阈值，则实行由步骤27表示的冷停机操作。在另外的实施例中，控制器15可以被配置成通过使用互联网检索天气预报，以确定潜在的周边温度，并且系统1可以基于预报，确定是否实行冷停机例程27。例程27可以包括激活压缩机(未示出)，以将存留在燃料电池组件2中的任何冷却剂或水(随着空气或吹扫气体)从组件2吹出，并且可能吹进冷却剂存储模块3中。然后，方法等待重新启动燃料电池系统1。

图3和图4更详细地示出由图2的步骤22和步骤23表示的两个阶段方法。

图3示出同时发生的三个过程30a、过程30b和过程30c。一般来说，第一过程30a包括在燃料电池系统1的起动时燃料电池组件2的电输出的增量式增加。电输出可以包括由组件2输出的电流。因而燃料电池系统的电输出从零(当关闭时)增加到预定电流输出，预定电流输出可低于燃料电池组件2的最大功率输出。预定输出可以低于组件的最大输出功率或输出电流的70％、60％、50％、40％、30％、20％或10％。在该示例中，使用预定输出电流阈值。在逐渐增加到预定电流输出期间，可以测量燃料电池的性能，以确定是否可以维持功率输出的增量式增加。

因此，在启动燃料电池系统1时，施加到入口4的燃料入口压力被设置为预定值，如在步骤32处所示的。在该示例中，将氢燃料入口压力设置为0.1和0.8巴表压之间的预定的第一压力，其可以通过实验选择为足以提供第一阶段的功率要求。燃料入口压力可以低于用于正常操作条件(即，例如，当燃料电池系统的操作温度大于上述温度阈值时)的燃料入口压力。

然后，控制器15或注水控制器10可以使用来自燃料电池组件的功率，激活第一加热器12，如由步骤33表示的。由此，加热器12将加热冷却剂模块3中的冷却剂，这可以包括融化结冰的冷却剂。

由步骤34和控制块35示出燃料电池组件2的电输出的增量式增加。可以以如本领域中的技术人员将已知的许多方式(诸如增加燃料流速或氧化剂流速)实现电输出的逐渐增加。

可以由传感器14表示的传感器可以被配置成测量36组件2中的单个电池(或几组电池)两端的电压。步骤37包括确定组件2中具有最小电压的燃料电池两端的电压(被称为“CVM电压”)是否低于阈值，对于PEM、氢、氧燃料电池，阈值可以是0.3V。一般来说，步骤37包括进行燃料电池中的一个或更多个或所有燃料电池的电参数的评估。如果CVM电压或其它电参数低于阈值，则这可以指示低性能燃料电池或过热。因而，控制器可以被配置成减少电流输出或降级/降低(de-rate)组件2的燃料电池组件上的负载(步骤38)，以允许燃料电池组件恢复，如由控制块35的“-”侧表示的。可以以许多方式(诸如通过控制负载或以供选择的电源切换)实现负载的降低/降级(de-rate)。如果所确定的电压是可接受的，则方法继续进行到步骤34中所示的电流输出的增量式增加。

第二过程30b包括确定(步骤40)燃料电池组件的电流输出和由燃料电池组件产生的电压，以确定燃料电池组件2的功率输出(通过积分步骤41)。可以使用由传感器14表示的电流/电压传感器。通过考虑燃料电池组件的寄生负载42，诸如控制电子器件以及空气或燃料压缩机的驱动，可以在步骤43处确定供应到第一加热器12的净功率。

步骤44包括使用两个测量值以确定何时停用第一加热器12。特别地，控制器15可以被配置成确定特定量的功率或能量是否已经被供应到加热器元件12，以及高于电压设置点的电压是否已经被供应到第一加热器12了预定时间段。可以使用焦耳计数器、电压表或其它传感器。如果满足两个标准，则在步骤45处关闭第一加热器12。否则，继续从燃料电池组件2到第一加热器12的功率的供应。将了解，单个测量值或测量值的不同组合可以被用于确定何时停用第一加热器12。(一个或更多个)测量值可以与融化预定量的结冰的冷却剂和使在围绕加热器的体积内所融化的冷却剂变暖到预定温度所需要的能量相关。

步骤45还包括打开与第一加热器元件12不同的第二加热器元件13。

方法保持在上述第一操作阶段中，直到在步骤45处已经关闭第一加热器12，并且燃料电池组件的或离开燃料电池组件的排气的温度的测量值已经达到温度阈值，如由步骤46所示的。在该示例中，温度阈值可以是至少10℃、15℃、20℃或25℃或更高。温度传感器47和决策块48表示确定是否已经超过温度阈值。

步骤46的标准可以是不同的。例如，阶段一操作模式和阶段二操作模式之间的转变可以基于预定量的液体冷却剂可用于递送到燃料电池组件的时间，和/或预定量的电功率已经被供应到加热器元件的时间，和/或已经在高于设置点电压操作了加热器元件预定时间的时间，和/或燃料电池组件的温度或通过燃料电池组件的燃料或氧化剂流的温度高于预定温度的时间。

直到满足由步骤46检查的两个条件，方法进行到另外控制正在进行的第三过程30c。可以与第一过程30a和第二过程30b一起发起第三过程30c，同时第三过程30c与第二过程链接在一起。

第三过程30c包括在初始步骤49将氧化剂流速设置为预定最小流速量。可以通过实验确定预定流速，以确保在冷却剂的释放之前可以充分冷却燃料电池组件。

方法进行到确定实现施加在入口4、入口5处的氧化剂与燃料的特定第一化学计量比所需要的氧化剂/空气流速(步骤50)。控制器15使用如由传感器51确定的燃料电池组件2的电流输出。步骤50被配置成控制氧化剂/空气流速，以维持高化学计量比诸如高于10或高于15或高于20。步骤50表示控制压缩机(未示出)，以递送所需要的氧化剂流速来满足期望的化学计量比。因此，空气流量大大超过与提供到阳极入口4的燃料量处于化学计量平衡所需要的空气流量。空气用于冷却燃料电池组件18，直到从水模块3可获得液体冷却剂。

由此，在阶段一中，上面的方法确保特定量的能量被供应用于融化结冰的冷却剂，使得在将预定量的冷却剂引入到燃料电池组件之前，预定量的冷却剂是可用的。这是有利的，因为可以增加冷却剂的温度，并且使一定量的冷却剂可用，使得当在到组件2的途中穿过管道时冷却剂不会重新结冰。因此，在解冻之后，液体冷却剂可以被保持在冷却剂模块3中，直到预定量的能量已经被供应到加热器元件。

一旦满足上述步骤46处评估的条件，方法就进行到第二阶段。一般来说，在第二阶段中，水冷却剂被供应到燃料电池组件2，并且减少化学计量比。另外，燃料电池组件2的功率输出被增加超出在步骤34中指定的预定电流输出。

方法继续提供将在第一阶段中加热的冷却剂递送到燃料电池组件2，步骤54a-54c中所示的。可以以多个连续施加的流速递送冷却剂。已经发现提供初始高流速接着提供较低流速是有利的。这具有快速启动水泵11(这可消除任何积聚冰和/或克服任何惯性)，填装输水管道，并且快速提供燃料电池组件(燃料电池组件已经运行而没有冷却剂或水合液体)的益处。对于包括通道(通道包括与每个燃料电池的有效区域相邻但在每个燃料电池的有效区域上游的单个储水容积)的燃料电池组件，高的初始冷却剂流速可以填充通道，其然后用表计量横跨燃料电池的有效区域的冷却剂。

在第一示例中，初始在第一时间段内提供高流速，接着在第二时间段内提供较低流速，随后接着提供甚至更低的流速。因此，在该示例中使用三个减小的流速的初始注水剖面。至少两个减小的流速也是优选的。可以根据存留在水存储模块中的融化的冷却剂的预定量相对于完成第二阶段所需要的时间，确定第二流速。注水剖面的效果为提供具有初始高扭矩值的冷却剂泵(步骤54a)，在冷却剂存储模块和组件之间填装冷却剂供应管道(步骤54b)，并且然后以最小冷却剂流速操作冷却剂泵或在最小冷却剂流速的阈值内操作冷却剂泵，用于维持组件的温度(步骤54c)。

化学计量比的减少被示出为步骤55。在该示例中，例如，将化学计量比减少到小于15，或小于10，或小于5。相应地设置燃料流和氧化剂流的流速，以实现期望的化学计量比。

图4示出由(一个或更多个)控制器15、控制器10实行的方法的第二阶段的继续60。在第二阶段中，可以激活第二加热器13，但是在该示例中，在步骤45中，与第一加热器元件的关闭结合，激活第二加热器13。供给多个加热器元件12、加热器元件13是有利的，因为第一加热器元件可以被定位成融化结冰的冷却剂的特定区域，并且间隔开的加热器元件可以融化冷却剂存储模块3中的结冰的冷却剂的不同区域。因此，在第一阶段中，可已经选择第一加热器元件的操作，使得足够的能量被供应用于基本上融化在第一加热器元件12附近中的所有结冰的冷却剂。这在模块3中留下剩余量的结冰的冷却剂，用于由第二加热器元件13融化。

在第二阶段中，施加到阳极入口4的氢燃料入口压力增加(步骤61)。这将更多燃料提供到燃料电池组件2，允许增加组件2的功率输出。

步骤62示出燃料电池组件的功率输出逐渐增加到基本上燃料电池组件的最大功率输出的50％。因此，既然燃料电池组件已经被提供有液体冷却剂，燃料电池组件就可以更有效地操作，并且可以增加燃料电池组件的功率输出。虽然在该实施例中已经使用50％功率输出目标，但是多达30％、40％、50％、60％或70％可以被选择作为逐渐增加步骤62的目标输出。

(一个或更多个)控制器15、控制器10可以被配置成确定被供应到燃料电池组件2的冷却剂的量，如在步骤63处所示的。因此，可以监测累积的水量。

第二加热器13被提供具有来自燃料电池组件的功率，使得第二加热器13加热模块3中的冷却剂，直到已经解冻预定量的冷却剂。这可以通过测量供应到加热器元件13的能量或功率的量，和/或监测高于设置点的电压已经被施加到加热器元件13的时间量来确定。步骤64示出使用两个标准以确定何时停用第二加热器13。特别地，控制器15、控制器10可以被配置成确定特定量的功率或能量是否已经被供应到加热器元件13，以及高于电压设置点的电压是否已经被供应到第二加热器13了预定时间段。可以使用焦耳计数器和电压表或其它传感器。如果满足两个标准，则在步骤65处关闭第二加热器13。然后，控制器15、控制器10已经完成上述“结冰的冷却剂起动方法”的阶段二，并且进行到如步骤66所示的根据正常操作模式控制燃料电池系统。否则，继续从燃料电池组件2到第二加热器13的功率的供应。

在逐渐增加到预定电流输出期间，可以测量燃料电池系统1的性能以确定是否可以维持逐渐增加到预定电流输出。可以在已经达到预定电流输出之后测量燃料电池系统1的性能。控制器15、控制器10使用传感器测量组件两端的电压和/或组件2中的单个电池(或几组电池)两端的电压。步骤67包括确定组件2中具有最小电压的燃料电池中的一个燃料电池两端的电压是否低于阈值，对于PEM、氢、氧燃料电池，阈值可以是0.3V。如果所确定的电压是可接受的(即，高于阈值)，则方法进行到监测由环路68所示的水流速。

如果电压低于阈值，则这可以指示低性能燃料电池或过热。假设在第二阶段中，水冷却剂被供应到燃料电池组件2，则方法进行到在对流速或组件的电输出作出改变之前，评估冷却剂的量或正被供应到组件2的冷却剂的供应的速率(步骤69)。

步骤69包括评估是否已经达到预定最大水冷却剂流速。如果已经实现最大水冷却剂流量(诸如通过达到泵11的最大性能)，则减少燃料电池组件2的负载。这可以通过如将由本领域中的技术人员已知的很多手段来实现。在步骤63处，方法继续监测冷却剂注入速率。

如果水冷却剂流速低于上面提及的预定最大值，则控制器15、控制器10被配置成使用冷却剂模块3中的液体冷却剂液位传感器(未示出)确定冷却剂是否是可用的(步骤71)。供选择地，控制器可以通过对由控制器请求的水流的量进行积分估计可用的水。如果冷却剂不是可用的，例如仍然结冰，则方法进行到上述的步骤70。如果冷却剂是可用的，则方法进行到以泵11的方式控制(步骤72)冷却剂流速，例如，从在第二阶段(步骤54)开始时设置的速率到多达低于冷却剂泵的最大性能的速率的流速阈值。因此，一般来说，控制器用于将冷却剂流速增加到多达大于在第二阶段(步骤54)开始时设置的速率最多15％或10％或20％或其它百分比。方法进行到步骤63，在步骤63中，继续监测或估计冷却剂注入速率的量。

已经发现这两个阶段控制方案对从结冰或低于四摄氏度条件启动燃料电池系统特别地有利。已经发现燃料电池系统能够在2-3分钟内也许更快以其全操作功率进行操作。

本文中讨论的控制方法使用在各点处在组件中具有最小电压的燃料电池的电压以确保可靠的操作。供选择地，可以使用组件中的多个燃料电池两端的燃料电池电压的标准偏差，且将该组件中的多个燃料电池两端的燃料电池电压的标准偏差与在上面提及的实例中的一些或所有实例中的阈值比较。供选择地，可以将平均燃料电池电压的变化速率与阈值比较。供选择地，可以将阴极排气温度或其中的变化与阈值比较。所有这些测量值可以被认为是燃料电池组件性能的指标。

图1和图5分别示出注水控制器10，并且例示用于控制递送到燃料电池组件2的冷却剂的量以提供有效的操作的方法。仅将足以保持组件2的温度在可接受的限制内的足够的冷却剂递送到组件2是有利的。因此，在燃料电池组件的操作期间冷却剂流速的主动控制是有利的，并且可以导致特别有效的系统1。

图1示出用于燃料电池系统1的冷却剂注入控制器10，冷却剂注入控制器10被配置成响应于来自传感器或传感器阵列14的燃料电池组件性能的测量值，主动控制到燃料电池组件2的冷却剂流，用于冷却和/或水合燃料电池组件2。

燃料电池组件性能的测量值可以包括来自传感器14的燃料电池组件2的电输出(诸如电流输出或功率输出)的测量值。在其它实施例中，燃料电池组件性能的测量值包括通过燃料电池组件的反应物流的温度(诸如在阴极排气7处的温度)的测量值。

冷却剂注入控制器被配置成基于燃料电池组件2的电输出(诸如电流输出)，以至少两个不同的模式操作。在该实施例中，如果组件的电流输出低于预定阈值，则控制器10具有第一操作模式，并且如果组件的电流输出大于预定阈值，则具有第二操作模式。供选择地，可以基于由燃料电池组件所需要的冷却剂流速，确定操作模式的选择，诸如低流速(低于阈值)要求第一模式，并且高流速(高于阈值)要求第二模式。第一操作模式和第二操作模式不同在如何控制泵11以将冷却剂递送到燃料电池组件2。特别地，根据操作模式，变更流速、冷却剂注入持续时间和冷却剂注入速率模式中的一个或更多个。因此，提供不同冷却剂注入剖面。

在该实施例中，在第一操作模式下，控制器被配置成通过相应地控制泵11，在两个不同冷却剂流速之间交替。流速中的一个可以是零，并且另一个为正的，或它们可以都是正的(高于零)。在该示例中，控制器在25秒的持续时间内以每分钟80立方厘米的流速以及在35秒内零流速提供冷却剂的注入，并且周期性地在它们之间交替。将了解，另外，可以提供不同的流速，并且控制器可以通过它们循环。遵循该模式，可以更准确地监测递送的水量，因为可很难使用泵11测量或准确维持低流速。

在第二操作模式下，控制器10被配置成提供冷却剂注入剖面，其中响应于燃料电池组件性能的测量值，主动或逐渐控制冷却剂流速。燃料电池性能的测量值可以包括上述电流输出，或燃料电池性能的测量值可以是燃料电池性能的不同的测量值，如上面讨论的。

因此，响应于燃料电池组件性能的测量值，控制器15可以提供闭环反馈以控制冷却剂流速。燃料电池性能的测量值可以利用多个标准。例如，组件2中燃料电池的最小燃料电池电压(CVM电压)、组件电压的变化速率或最小燃料电池电压或平均燃料电池电压、燃料电池电压的标准偏差(或变化)、阴极排气温度7或其它参数中的一个或更多个。特别地，燃料电池性能的测量值包括指示燃料电池组件2的过热和/或利用冷却剂的燃料电池组件2的饱和度的测量值。

在一个示例中，如果在主动闭环控制反馈期间冷却剂流速达到最大阈值速率且燃料电池性能低于阈值，则控制器被配置成通过减少由堆产生的电流，减少燃料电池组件2的电功率输出。

转到图5，该流程图指示“正常操作”的开始，该“正常操作”的开始可以对应于到达步骤66的先前描述的方法。在该示例中，控制器15被配置成确定CVM电压和阴极排气7温度的绝对值和/或改变，以诸如通过命令泵11/为泵11供电主动控制冷却剂流速。

步骤80包括设置来自燃料电池组件的期望的输出电流和氧化剂/燃料化学计量比。在该示例中，设置小于步骤55的化学计量比的化学计量比。

步骤81包括确定CVM电压的变化速率是否低于CVM速率阈值。如果不是，则方法进行到评估(步骤82)阴极排气温度7是否高于温度阈值。如果不是，则方法进行到评估(步骤83)CVM电压是否低于CVM阈值。

如果燃料电池性能的这三个评估(步骤81、步骤82、步骤83)中的任一个为真，则方法进行到步骤84，在步骤84中，控制器15评估更大的水冷却剂流速是否是可用的。例如，可以凭借达到上限和或操作上限的泵性能和/或模块3中的水可用性，确定更大的水流速的可用性。从电流传感器89利用来自燃料电池组件2的电流输出的测量值88。在步骤84中，因此，控制器15确定当前冷却剂流速是否处于燃料电池组件的特定电流输出的最大值。这可以包括查找表等的查阅，以确定特定电流输出的最大冷却剂流速。

如果冷却剂速率的增加不是可用的，则控制器10被配置成减少或降级燃料电池组件2上的负载(步骤85)。负载的任何减少被存储在存储器中，使得一旦燃料电池组件表现良好，就可以增加负载。

如果冷却剂是可用的(并且因而水流速没有处于其最大值)，则控制器15被配置成增加将冷却剂递送到组件2的速率(步骤86)。然后，控制器返回到方法步骤81。

然后方法进行到评估在步骤81、步骤82和步骤83处所示的燃料电池组件性能的指标。

如果控制器15确定燃料电池组件2的性能在可接受的限制(基于步骤81、步骤82和步骤83返回假结果推断出可接受的限制)内，则方法进行到步骤91，以确定先前是否已经减小负载设置点(如在步骤85中的)。如上面所提及的，存储器可以存储该信息。如果先前已经减小负载，则如在步骤92处所示的，在扩展的时间段内(或以预定速率，可实验确定该预定速率)逐渐增加负载。方法返回到步骤81以再次监测燃料电池组件性能。

如果先前尚未减小负载设置点，则方法进行到步骤93。对于燃料电池组件操作于的特定电流输出，控制器15检查水冷却剂流速是否高于默认最小阈值(诸如在步骤86中增加到高于期望的最小值)。因此，传感器可以确定电流输出，并且可以查阅查找表等，以确定期望的最小冷却剂流速。如果没有超过水冷却剂阈值，则方法返回到在步骤81处的开始。如果水冷却剂阈值高于预定默认最小值，则控制器15被配置成(以预定速率，可实验地确定该预定速率)缓慢地减小水流速，如由步骤94所示的。方法进行到步骤81，在步骤81处，检查燃料电池组件性能。

一般来说，对于燃料电池组件的每个期望的输出电流，可以(诸如经验地)设置最小冷却剂流速和最大冷却剂流速，并且控制器可以被配置成维持冷却剂流速处于预定最小冷却剂流速，除非燃料电池组件的性能的测量值(诸如由步骤81-步骤83提供的)指示需要增加水流速。对于任何给定燃料电池组件输出电流，将仅将水流速增加到多达预定最大冷却剂流速。

将了解，在上面示例中公开的单个步骤中的每个步骤在燃料电池组件的有效操作中发挥重要作用。于是，每个单个步骤可以实行如所要求保护的本发明的可选的方面。

Claims (22)

1.一种操作包括燃料电池组件的燃料电池系统的方法，所述燃料电池组件被配置成从燃料流和氧化剂流产生电功率，所述方法包括第一阶段和随后的第二阶段，所述第一阶段包括：

用氧化剂流与燃料流的第一化学计量比操作所述燃料电池组件，以产生电功率；

将所述产生的电功率提供到加热器元件，以加热用于供应到所述燃料电池组件的冷却剂；

所述第二阶段包括：

将在所述第一阶段中加热的冷却剂递送到所述燃料电池组件；

用氧化剂流与燃料流的第二化学计量比操作所述燃料电池组件，以产生电功率，所述第二化学计量比低于所述第一比。

2.根据权利要求1所述的方法，其中所述第二阶段包括以下步骤：将所述产生的电功率提供到所述加热器元件或不同的加热器元件，以加热用于供应到所述燃料电池组件的冷却剂。

3.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一阶段包括将燃料流供应压力设置为第一压力，并且所述第二阶段包括将所述燃料流供应压力设置为高于所述第一压力的第二压力。

4.根据权利要求1所述的方法，其中，在所述第一阶段中，操作所述燃料电池系统的步骤包括从关闭状态操作所述燃料电池系统，使得所述第一阶段包括所述燃料电池系统的起动阶段。

5.根据权利要求1所述的方法，其中所述方法包括以下步骤：确定所述燃料电池系统的温度，并且如果所确定的温度低于预定温度，则实行所述第一阶段和所述第二阶段，并且如果所述温度大于所述预定温度，则操作所述燃料电池系统，而不将功率提供到所述加热器元件。

6.根据权利要求1所述的方法，其中当满足一个或更多个标准时，所述第一阶段结束，并且所述第二阶段开始，所述标准包括i)预定量的液体冷却剂可用于递送到所述燃料电池组件，ii)预定量的电功率已经被供应到所述加热器元件，iii)所述加热器元件已经在高于设置点电压操作了预定时间，iv)通过所述燃料电池组件或从所述燃料电池组件排出的氧化剂流的温度高于预定氧化剂温度，v)所述燃料电池组件的温度高于预定组件温度。

7.根据权利要求1所述的方法，其中，在所述第一阶段中，操作所述燃料电池组件的所述步骤包括以预定电流或功率输出操作所述组件。

8.根据权利要求7所述的方法，其中，在所述第一阶段中，操作所述燃料电池组件的所述步骤包括逐渐地增加所述燃料电池组件的所述电流输出，以满足所述预定电流或功率输出。

9.根据权利要求7或权利要求8所述的方法，其中基于燃料电池组件性能的测量值，修改所述预定电流或功率输出，和/或主动控制电流输出的逐渐增加。

10.根据权利要求9所述的方法，其中所述燃料电池组件包括多个燃料电池，并且所述燃料电池组件性能的测量值包括燃料电池或一组燃料电池的最小电压，或形成所述组件的所述多个燃料电池的燃料电池电压的标准偏差值，或形成所述燃料电池组件的所述多个燃料电池的平均电池电压中的一个或更多个。

11.根据权利要求1所述的方法，其中在所述第一阶段期间，在将预定量能量供应到所述加热器元件之后，激活与所述第一加热器元件不同的第二加热器元件。

12.根据权利要求1所述的方法，其中在所述第二阶段期间，将冷却剂递送到所述燃料电池组件包括在第一时间段内以第一速率递送所述冷却剂，并且随后以与所述第一速率不同的第二速率递送所述冷却剂。

13.根据权利要求1所述的方法，其中，在所述第二阶段中，在将冷却剂递送到所述燃料电池组件之后，采用所述第二化学计量比。

14.根据权利要求1所述的方法，其中，在所述第一阶段期间，所述燃料电池组件未提供有冷却剂。

15.根据权利要求1所述的方法，其中，在所述第一阶段中，由所述燃料电池组件产生的功率还被提供到氧化剂压缩机，用于将所述氧化剂驱动到所述燃料电池组件中。

16.根据权利要求1所述的方法，其中，在所述第二阶段中，操作所述燃料电池组件的所述步骤包括以与在所述第一阶段期间的功率输出相比更大的功率输出操作所述燃料电池组件。

17.根据权利要求2所述的方法，其中所述第二阶段包括以下步骤：将所述产生的电功率提供到所述不同的加热器元件，以加热用于供应到所述燃料电池组件的所述冷却剂，直到所述不同的加热器元件已经被供应有预定量的功率和/或所述不同的加热器元件已经在高于设置点电压操作了预定量时间。

18.根据权利要求1所述的方法，其中所述燃料电池组件包括多个燃料电池，并且在所述第二阶段期间，所述方法包括以下步骤：监测在所述组件中的所述燃料电池的电压，以确定由所述燃料电池中的任一个燃料电池或任一组燃料电池输出的最小电压，从而确定所确定的最小电压是否低于预定最小电池电压，并且如果是这样，则增加冷却剂被供应到所述燃料电池组件的速率。

19.一种包括燃料电池组件的燃料电池系统，所述燃料电池组件被配置成从燃料流和氧化剂流产生电功率，并且接收用于冷却所述燃料电池组件的冷却剂，所述燃料电池系统被配置成根据权利要求1-18中任一项所述的方法操作。

20.根据权利要求19所述的燃料电池系统，其中所述燃料电池系统包括冷却剂存储模块，并且所述加热器元件位于所述冷却剂存储模块中。

21.根据权利要求19所述的燃料电池系统，其中所述燃料电池系统包括冷却剂存储模块，所述冷却剂存储模块包括所述加热器元件以及与所述加热器元件间隔开的不同的加热器元件，所述加热器元件和所述不同的加热器元件都位于所述冷却剂存储模块中。

22.一种包括用于在具有处理器和存储器的计算设备上执行的用于实行根据权利要求1-18中的任一项所述的方法的指令的计算机程序产品。