CN108878926A - 用于燃料电池堆高效加热的燃料电池结构、热系统和控制逻辑 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了用于调节燃料电池堆温度的燃料电池结构、热子系统和控制逻辑。公开了一种用于调节燃料电池堆温度的方法。该方法包括确定燃料电池堆的预启动温度，并针对该预启动温度确定将燃料电池堆加热到标准最低运行温度的目标加热速率。该方法然后确定针对目标加热速率的氢释放百分比，并执行堆加热操作，堆加热操作包括激活燃料电池堆并且命令流体控制装置以氢释放百分比将氢气引导至阴极侧，以产生废热。在标准时间段之后，该方法确定堆运行温度是否超过标准最低堆运行温度。响应于运行温度等于或超过最低运行温度，终止堆加热操作。

Description

用于燃料电池堆高效加热的燃料电池结构、热系统和控制 逻辑
引言
本公开总体上涉及用于将气态氢基燃料的化学能转换为电能的燃料电池系统。更具体地，本公开的各方面涉及用于有效地加热燃料电池堆的热系统和相关的控制算法。
目前生产的机动车辆，例如现代的汽车，最初配备有动力传动系，该动力传动系用于驱动车辆并为车载电子设备供电。包括且通常被错误分类为车辆传动系的动力传动系通常包括原动机，该原动机通过多速度动力传输向车辆的最终传动系统(例如差速器、车轴和车轮)传递驱动力。因往复活塞式内燃机(ICE)较高的易得性、低成本、重量轻和较高的总效率，汽车通常由其提供动力。作为一些非限制性示例，这种发动机包括两冲程和四冲程压缩点火(CI)柴油机、四冲程火花点火(SI)汽油机、六冲程结构和旋转式发动机。另一方面，混合动力车辆和电动车辆利用诸如电动发电机之类的替代动力源来驱动车辆，将对发动机的动力依赖最小化，并因此提高整体燃油经济性。
混合动力车辆和纯电动车辆动力传动系采取各种结构，其中一些采用燃料电池系统为一个或多个电动牵引马达供电。燃料电池是通常由接收氢气(H2)的阳极、接收氧气(O2)的阴极以及介于阳极和阴极之间的电解质组成的电化学装置。诱发电化学反应以氧化阳极处的氢分子，从而产生自由质子(H+)，然后使其穿过电解质，在阴极处通过氧化剂(如氧气)的作用得以还原。特别地，氢气通过阳极催化剂层中的氧化半电池反应被催化分解，以产生自由氢质子和电子。这些氢质子穿过电解质到达阴极，在阴极处氢质子与阴极中的氧和电子反应生成水。然而，来自阳极的电子不能通过电解质，因此在被送到阴极之前通过诸如马达或电池的负载被重新导向。
通常见于汽车应用的燃料电池设计利用固体聚合物电解质膜(PEM)-也称“质子交换膜”(PEM)-实现阳极和阴极之间的离子传输。质子交换膜燃料电池(PEMFC)通常使用固体聚合物电解质(SPE)质子传导膜(例如全氟磺酸膜)来分离生成气体，并实现质子的传导和电极的电绝缘。阳极和阴极通常包括高度分散的催化颗粒，例如负载于碳颗粒上并与离聚物混合的铂(Pt)。催化混合物沉积在膜的侧面以形成阳极和阴极催化层。阳极催化剂层、阴极催化剂层和电解质膜共同限定了膜电极组件(MEA)，其中阳极催化剂和阴极催化剂负载在离子导电固体聚合物膜的相对面上。
为了产生驱动机动车辆所需的电力，通常将多个燃料电池串联或并联成燃料电池堆，以实现更高的输出电压和更强的电流消耗。例如，用于汽车的典型燃料电池堆可具有两百个或更多个堆叠的燃料电池。这些燃料电池堆接收反应气体作为阴极输入，尤其作为在压缩机的作用下通过燃料电池堆的环境空气流或浓缩气态氧流。在正常运行期间，可定量的氧气不会被燃料电池堆消耗；剩余氧气的一部分作为阴极废气输出，其可能包括作为燃料电池堆副产物的水。燃料电池堆还接收氢气或富含氢气的反应气体，作为流入燃料电池堆的阳极侧的阳极输入。氢气在阳极流道内的分布通常保持基本恒定，以实现适当的燃料电池堆运行。在一些运行模式下，为燃料电池堆供给补充氢气，使得阳极气体均匀分布以实现标准的燃料电池堆输出负载。然而，随着这种额外的氢气输入，“滑”入阳极废气的氢气量增加，这可能导致系统效率降低。
过高或过低的燃料电池堆温度都会影响系统效率和运行寿命；因此，大多数燃料电池系统采用热子系统来调节燃料电池堆的工作温度。例如，可以将冷却液泵送通过燃料电池堆的双极板中的专用液体流道以吸走多余的堆热量。在正常的燃料电池堆运行期间，可以例如基于堆负载、环境温度和其它因素来控制泵速，使得燃料电池堆的工作温度保持在最佳范围内，例如约30-80℃。热子系统还可以将散热器或类似装置集成到冷却液回路中，以降低燃料电池堆加热的冷却液的温度，使得冷却液可以通过燃料电池堆循环返回以供再次使用。对于燃料电池“冷启动”-系统在冷冻温度下启动，例如0℃或更低-冷却剂回路和燃料电池堆中的冷却液非常凉；如果立即启动泵，则冷却液可能对燃料电池反应起到冷却作用，这可能导致燃料电池堆输出电压和功率显著下降。这种情况的一种处理方法是将电加热器或其他专用加热元件集成到燃料电池堆中。但是，这些装置增加了设计复杂性以及系统的总成本。
发明内容
本发明公开了用于高效调节燃料电池堆温度的车辆燃料电池结构、燃料电池热控制子系统和相关控制逻辑。作为示例而非限制，提出了一种新颖的控制策略，以通过在低H2泄露和低电池电压运行下使废热最大化而有效地加热燃料电池堆。在该示例中，可以通过暂时将氢气释放到燃料电池堆的阴极侧来实现有效的冷启动(例如，环境温度等于或低于0至-30℃)，氢气与O2反应气体反应以实现催化加热。一些释放出的氢气不会在阴极内反应，因而可能成为阴极废气。调节各种系统参数以达到最佳运行条件，从而有助于最小化氢气泄露并最大化催化加热速率。例如，一种公开的控制策略通过设定氧气流量、氢气H2释放的百分比(％H2)和电池电压的值获得有效冷启动的最佳运行点。例如，在给定温度下，使用反应器模型来计算在给定的％H2释放和电池电压下发送的空气的流量。
通过确定氢阴极催化加热(CCH)的限制步骤，在冻结温度下，氢反应速率可以随着电势的降低或％H2、运行温度和流量的增加而增加。此外，在氢气的流体动力学停留时间较长的情况下，H2可能会在反应之前大量泄露。为了解决这个问题，提出了一种控制策略，其中阴极流量被限制在较低值，但保持在标准阈值以上，以确保电池不稳定性不被影响。为实现冻结温度下的最佳加热速率，例如，使用系统模型或标准3D表格确定阴极流量和电池电压(V)和/或电流密度(CD)，从而在尽量减小H2损失的前提下使加热速率最大化。可以通过电动增压器获得低电位。在一个具体示例中，通过向燃料电池堆的阴极侧释放例如12％的H2来执行冷启动，同时最大化供给阴极的反应气体O2的压缩机流量。未反应的H2例如通过旁通空气稀释，使得阴极废气中的出口H2浓度被限制在约4％或更少。根据系统结构，运行旁通流量、％H2入口和运行电流密度可能是固定的。
至少一些所公开的概念的附带好处包括燃料电池系统可靠性改进、系统加热效率增加、冷启动时间缩短、系统排放减少以及系统总成本降低。其他附带好处可能包括通过消除系统对专用电加热装置的依赖来最小化环境变化和可替换部件故障的影响。所公开的控制程序也有助于通过使用较少的氢基燃料来提高冷启动效率。在-30℃下，在阴极中大约释放6-15％H2(例如，10％H2)，同时在约0.15A/cm2的CD下运行，并且流量从大约1.6(或Stoic10)降低到大约0.6(Stoic 5)标准升每分钟(slpm)，例如，出口％H2从5％减少到大约1.8％，同时增加废热量以实现有效的堆加热。本文所使用的术语“废热”可以表示在系统进程中作为化学反应的辅助副产物的热量，该系统进程并非专门设计为产生热量。
本公开的各方面涉及用于检测燃料电池堆冷启动条件，以及调节系统运行以通过最大化的废热以最低的氢气泄露加热燃料电池堆的控制算法。例如，本发明公开了一种用于调节燃料电池堆温度的方法。该方法包括，以任何顺序或以任何所公开特征的任何组合：确定燃料电池堆的预启动温度；针对该预启动温度，确定将燃料电池堆加热至标准最低运行温度的目标加热速率；确定针对所确定的目标加热速率的氢释放百分比；执行堆加热操作，所述堆加热操作包括激活所述燃料电池堆并且命令流体控制装置以所述氢释放百分比释放或将氢气引导至所述阴极侧，使得所述燃料电池堆产生废热；在执行堆加热操作的标准时间段之后(例如，大约1到2分钟)，确定燃料电池堆的运行温度是否等于或高于标准最低堆运行温度；以及响应于等于或超过标准最低堆运行温度的运行温度，暂停堆加热操作。如果运行温度未达到标准最低运行温度，则该方法可以可选地包括命令流体控制装置以更高的释放百分比向阴极侧释放氢气以产生增加的废热，然后在另一标准时间段之后，确定燃料电池堆运行温度是否等于或高于标准最低堆运行温度。
该方法可以可选地包括确定源于所产生的废热的燃料电池堆的实际加热速率是否小于目标加热速率，如果是，则命令流体控制装置以更高的释放百分比向阴极侧释放氢气，使得燃料电池堆产生增加的废热。在另一标准时间段之后，可以确定堆运行温度现在是否等于或超过标准最低堆运行温度；响应于运行温度等于或超过标准最低运行温度，可以暂停堆加热操作。可选地，响应于实际加热速率等于或大于目标加热速率，确定运行温度是否等于或高于标准最低堆运行温度。
本公开的其他方面涉及具有根据任何所公开的堆加热程序调节的质子交换膜燃料电池(PEMFC)的机动车辆。本文所使用的“机动车辆”可以包括任何相关的车载平台，例如乘用车(燃料电池混合动力、燃料电池电动、完全或部分自动驾驶车辆等)、商务车、工业车辆、履带式车辆、越野和全地形车辆(ATV)、农场用具、船只、飞机等。根据所公开的堆加热程序调节的燃料电池系统可以用于其他方面，例如便携式燃料电池装置，例如用于为居住和商业设备供电，以及固定燃料电池发电厂，例如旨在为机场、医院、学校、银行和家庭提供干净可靠的电力来源。公开了一种燃料电池驱动的机动车辆，其包括车身、多个车轮以及连接到车身以驱动一个或多个车轮的牵引马达。驱动牵引马达的车载燃料电池系统包括具有介于阴极和阳极之间的质子传导膜的燃料电池堆。第一流体控制装置可以具有电控放气阀的性质，用于释放氢气或者将氢气流引导至阳极侧和/或阴极侧。类似地，第二流体控制装置可以具有泵或压缩机的性质，用于将氧气流引导至阴极侧。
燃料电池驱动的机动车辆还包括用于监视和控制燃料电池系统的车辆控制器，例如可编程动力传动系电控单元(ECU)。车辆控制器被编程为确定燃料电池堆的预启动温度，然后针对该预启动温度确定将燃料电池堆加热到标准最低运行温度的目标加热速率。针对目标加热速率确定氢排放百分比，并执行堆加热操作。堆加热操作包括例如激活所述燃料电池堆，同时命令第一流体控制装置以所述氢释放百分比释放或将氢气引导至所述阴极侧，使得氢气和氧气之间发生化学反应产生废热。在执行堆加热操作的标准时间段之后，车辆控制器被编程为确定燃料电池堆的运行温度是否等于或高于标准最低堆运行温度。响应于运行温度等于或超过标准最低运行温度，控制器将停止堆加热操作。
本公开的其他方面涉及存储可由一个或多个车载电控单元的一个或多个处理器中的至少一个处理器执行的指令的非暂时性计算机可读介质。这些指令在被执行时使得ECU(一个或多个)执行各种操作，这些操作可以包括，以任何顺序或以任何所公开特征的任何组合：确定燃料电池堆的预启动温度；针对该预启动温度，确定将燃料电池堆加热至标准最低堆运行温度的目标加热速率；确定针对所确定的目标加热速率的氢释放百分比；执行堆加热操作，所述堆加热操作包括激活所述燃料电池堆并且命令第一流体控制装置以所述氢释放百分比将氢气引导至燃料电池堆的所述阴极侧，使得所述燃料电池堆产生废热；在执行堆加热操作的标准时间段之后，确定燃料电池堆的运行温度是否等于或高于标准最低堆运行温度；响应于运行温度等于或超过标准最低堆运行温度，停止堆加热操作。
以上概述并非旨在代表本公开的每个实施例或每个方面。而是，前面的概述仅提供了在此阐述的一些新颖方面和特征的示例。结合附图和所附权利要求，从以下对用于执行本公开的代表性实施例和代表性模式的详细描述中，本公开的上述特征和优点以及其他特征和优点将变得显而易见。此外，本公开明确地包括上述和下述元件和特征的任何和所有组合和子组合。
附图说明
图1是根据本公开的各方面的典型机动车辆的透视图，以及具有燃料电池堆热调节能力的典型燃料电池系统的示意图。
图2是根据所公开的概念的各方面的燃料电池堆加热算法的流程图，该算法可以对应于由车载控制逻辑电路、可编程电控单元或机动车辆的其它基于计算机的装置执行的、存储在存储器内的指令。
图3是根据本公开的各方面的典型基于废热的燃料电池堆加热程序的在设定的释放百分比下的燃料电池堆输出电功率与产生的废热的曲线图。
图4是根据本公开的各方面的典型基于废热的燃料电池堆加热程序的在设定的释放百分比下的燃料电池堆电压输出与氢泄露的曲线图。
图5是根据本公开的各方面的典型基于废热的燃料电池堆加热程序的在设定的释放百分比下的燃料电池堆电流密度与出口中未反应的％H2的曲线图。
本公开容许各种修改和替代形式，并且一些典型实施例已经通过附图中的示例示出并且将在本文中详细描述。然而，应该理解的是，本公开的新颖方面不限于附图中所示的特定形式。相反，本公开将覆盖落入由所附权利要求限定的本公开的范围和精神内的所有修改、等同物、组合、子组合、替换、分组和替代。
具体实施方式
本公开容许许多不同形式的实施例。在附图中示出并且将在本文中详细描述本公开的典型实施例，但应该理解的是，这些典型实施例将被认为是本公开的原理的示例，并且不旨在将本公开的宽泛方面限制为所示的实施例。就此而言，例如在摘要、发明内容和具体实施方式部分中公开但未在权利要求中明确阐述的元素和限制不应通过暗示、推断或其他方式单独或一起并入权利要求中。出于本详细描述的目的，除非明确否认：单数包括复数，反之亦然；“和”和“或”这两个词既表示合取，也表示析取；“全部”一词的意思是“任何一切”；“任何”一词的意思是“任何一切”；“包括”、“包含”和“具有”意思是“包括但不限于”。此外，诸如“约”、“几乎”、“基本上”、“近似”等近似词语在本文中的意思是，例如，“在...处，在...附近或接近”或“在3-5％以内”或“在可接受的制造公差内”或其任何逻辑组合。
现在参考附图，其中相同的附图标记在几个视图中表示相同的特征。图1是典型汽车的图示，为了作为四门轿车型乘用车进行讨论，典型汽车通常用10指示和描述。典型燃料电池系统安装在汽车10的车身12内，通常用14表示，其用于驱动可驱动车辆的车轮18的一个或多个牵引马达16。图示的汽车10-在本文中也称为“机动车辆”或简称“车辆”-仅仅是示例性应用，利用该示例性应用可以实践本公开的许多方面和特征。同样，将本发明概念实施为PEMFC型燃料电池系统14也应理解为本文公开的新颖概念的示例性应用。这样，将理解的是，本公开的许多方面和特征可以应用于其他燃料电池系统体系结构、用于其他汽车和非汽车应用并由任何逻辑相关类型的机动车辆来实现。最后，本文呈现的附图不一定按比例绘制，而是纯粹用于指导目的。因此，附图中所示的具体和相对尺寸不应被解释为限制性的。
图1的质子交换膜燃料电池系统14配备有一个或多个燃料电池堆20，每个燃料电池堆由多个PEM型燃料电池22组成，这些燃料电池例如彼此串联安装。在所示的结构中，每个燃料电池22例如是具有由质子传导性全氟磺酸膜28隔开的阳极侧24和阴极侧26的多层结构。阳极扩散介质层30设置在PEMFC 22的阳极侧24上，阳极催化剂层32介于膜28和相应的扩散介质层30之间并且可操作地连接膜28和相应的扩散介质层30。类似地，阴极扩散介质层34设置在PEMFC 22的阴极侧26上，阴极催化剂层36介于膜28和相应的扩散介质层34之间并且可操作地连接膜28和相应的扩散介质层34。这两个催化剂层32和36与膜28配合以全部或部分地限定MEA38。通过附图中的例子仅示出了系统10的选择部件，并将在此详细描述。尽管如此，在不脱离本公开的预期范围的情况下，燃料电池系统10可以包括许多附加的和可选的特征以及其他公知的外围部件。
扩散介质层30和34是多孔构造，其允许流体进入MEA 38以及从MEA38排出。阳极流场板(或“双极板”)40设置在阳极侧24上，与阳极扩散介质层30邻接。同样，阴极流场板(或“双极板”)42设置在阴极侧26上，与阴极扩散介质层34邻接。冷却剂流道44横穿每个双极板40和42以允许冷却液流过燃料电池22。各个流体入口端口和歧管将氢燃料和氧化剂引导至阳极和阴极流场板中的通道。MEA38和双极板40、42可以在不锈钢夹板41和43与单极端板(未示出)之间堆叠在一起。这些夹板41、43可以通过垫圈或电介质涂层(未示出)与端板电绝缘。燃料电池系统14还可以采用阳极再循环，其中阳极再循环气体通过阳极再循环管线由排气歧管供给，以将氢再循环回到阳极侧24输入，从而节省燃料电池堆20中的氢气。
氢气(H2)入口气流(无论其是气态的、浓缩的、夹带的或其他形式)通过连接到(第一)流体输入导管或软管48的流体喷射器47从氢/氮源46传输到燃料电池堆20的阳极侧24。阳极废气经由(第一)流体排出导管或歧管50被排出燃料电池堆20；排出歧管将废气引导至收集槽78。面向质子传导膜28的阳极双极板的中心有源区可以制造成具有带蛇形流道的阳极流场的工作面，该蛇形流道用于在膜28的相对面上分配氢气。压缩机或泵52经由(第二)流体输入导管或软管54将例如环境空气、去离子水(DI H2O)和/或浓缩气态氧(O2)的阴极入口气流提供给燃料电池堆20的阴极侧26。阴极废气经由(第二)流体排出导管或歧管56被排出燃料电池堆20。流量控制阀、流量限制器、过滤器以及用于调节流体流量的其他已知装置可以由图1的系统10实施。例如，如下面更详细讨论的，氢释放阀49释放氢气流或者将氢气流从阳极的流体输入导管48引导至阴极入口(例如，经由流体输入导管54)。同样，氧气旁通阀53旁通或将空气引导至一个或两个排放歧管50、56，使得出口氢气浓度被稀释。
图1的燃料电池系统14还可以包括热子系统，其可用于在预调节、初试、启动、运行和关闭期间控制燃料电池堆20的温度。根据所示的示例，冷却液泵58将冷却液泵送通过冷却剂回路60到达燃料电池堆20，并且进入每个电池22中的冷却剂通道44。流体耦合在冷却剂回路60中的散热器62用于将冷却液保持在期望的温度。燃料电池系统14还配备有各种感测装置，这些感测装置有助于监测堆运行、调节堆叠温度以及控制燃料电池排气和再循环。例如，(第一)温度传感器66测量、监测或检测燃料电池堆20的冷却剂入口处的冷却剂的温度值，(第二)温度传感器68测量、监测或检测燃料电池堆20的冷却剂出口处的冷却剂的温度值。作为另一示例，堆温度传感器64测量、监测或检测燃料电池堆20的温度值。电连接器或电缆74将燃料电池堆20连接到电源76。电压/电流传感器70可以在初试运行期间测量、监测或检测通过燃料电池堆20中的燃料电池22的燃料电池电压和/或电流。
可编程电控单元(ECU)72帮助控制燃料电池系统14的运行。作为示例，ECU 72从第一和第二温度传感器66和68接收一个或多个温度信号T1，其指示进入和离开燃料电池堆20的冷却剂流体的温度；ECU 72可以响应性地发出一个或多个命令信号C1以调节散热器62的运行。该ECU54还接收来自堆温度传感器64的一个或多个温度信号T2，该温度信号指示例如燃料电池堆20的运行和非运行温度；ECU 72可以响应性地发出一个或多个命令信号C2来调节燃料电池堆(以产生废热)和/或热子系统(以循环冷却液)的运行。ECU 54还可以接收来自电压传感器70的一个或多个燃料电池电压信号V2，并且响应性地发出一个或多个命令信号C3以调节流过燃料电池堆20的电流和电压。其他传感器信号SN可以由ECU 72接收，其他控制命令CN可以由ECU 72发出例如用以控制流体喷射器47、压缩机/泵52、冷却剂泵58或图示和/或在此描述的任何其他子系统或部件。下面更详细地讨论可由ECU 72执行的用于调节燃料电池堆20温度的示例性算法。如图1所示，始于或延伸到ECU 72的箭头表示电子信号或其他通信交换，其允许数据和/或控制命令从一个部件传输到另一个部件。
为了利于燃料电池系统14的有效冷启动(例如，在零度以下的环境温度下)，可以通过将氢从阳极的氢源释放到燃料电池堆20的阴极侧26来实现有效堆加热，氢与入口氧气流反应以实现催化加热。调节系统运行参数以达到最佳条件，从而最小化氢气泄露并最大化催化加热速率。一种这样的策略通过设定氧气流量、氢气H2释放的百分比(％H2)和燃料电池系统电压的值获得有效冷启动的最佳运行点。例如，在给定温度下，使用反应器模型来计算在给定的％H2释放和电池电压下需要发送的空气的系统标准流量。这有助于通过使用更少的H2燃料来增加冷启动效率，同时产生更多的废热。通过在阴极中大约释放10％H2，同时在约0.15A/cm2的电流密度(CD)下运行，并且氧气流量降低到大约0.6标准升每分钟(slpm)，氢泄露百分比从大约50％减少到大约18％，同时增加废热量以实现有效加热。
通过系统测试发现氢反应速率随着电势降低、％H2增加和氧气流量增加呈现增长趋势。此外，由于氢气的流体动力学停留时间较长，氢气在反应之前大量泄露。为了抵消这种现象，阴极入口流量可以被限制为较低值，但保持在阈值以上，以确保不影响电池不稳定性。为实现冻结环境和/或堆温度下的有效加热速率，系统使用模型或标准3D表格确定阴极流量和电池电压/电流密度，从而在尽量减小氢气损失的前提下使加热速率最大化。在一个非限制性的更具体的示例中，可能希望在-30℃的预启动堆温度下实现至少约1c/s的预热速率，这可以基于0.1A/cm2的CD、0.5V的堆输出电压以及15％H2释放(例如，对于具有至少大约300cm2的活性表面积的300+电池堆)实现。
根据本公开的各方面，现在参考图2的流程图，示出了例如通常用100表示的用于操作燃料电池系统的改进的方法或控制策略(例如图1的系统14)，该燃料电池系统用于主动加热燃料电池堆中的一个或多个燃料电池，例如图1中的燃料电池堆20的电池22。图2中所示并在下面进一步详细描述的一些或全部操作可以表示对应于处理器可执行指令的算法，该处理器可执行指令例如可以存储在主或辅助或远程存储器中，并且例如由ECU、中央处理单元(CPU)、车载或远程控制逻辑电路或其他装置执行，以实现与所公开的概念相关联的上述和/或下述的任何一个或全部功能。
图2中的方法100始于终端块101，确定是否具有“冷启动”条件，例如当驾驶员或其他实体试图启动燃料电池系统14时。该操作可以包括检测燃料电池系统14所处的环境空气温度，和/或确定燃料电池堆20的预启动(停用)温度。对于一些可选的控制算法设计，过程块101可以用判定块代替，使得如果确定不具有冷启动条件，则终止或至少暂停方法100，直到检测到这些条件。方法100然后进行到过程块103，计算、估计或确定对应于先前确定的预启动温度的目标加热速率，以将燃料电池堆加热到标准最低堆运行温度。例如，如果预启动堆温度为-30℃，并且系统标准最低堆运行温度设置为30℃，则通过预设的一分钟加热窗口可将目标加热速率设置为1摄氏度/秒。计算的目标加热速率可以例如取决于堆的起始和/或标准最低运行温度、期望的加热窗口、系统运行限制、特定应用限制等而不同。一种这样的限制可以包括对系统废气(本文也称为“H2泄露”或“出口％H2”)中氢气含量的限制；出口％H2的阈值限制可以设定为约3-4％或更小。
在堆冷启动期间调节各种燃料电池系统运行参数，以实现堆加热条件，从而使H2泄露最小化，使阴极催化加热(CCH)速率最大化。在过程块105处，例如，ECU 72执行存储在存储器内的指令以例如通过反应器模型计算、基于模型的控制反馈、访问存储的查找表等来确定氢释放百分比(本文中也称为“％H2释放”)，以实现期望的目标加热速率。过程块105还可以包括处理器可执行指令，以通过ECU 72确定影响堆加热的其他指定的运行参数，例如用于加热操作的改进的阴极入口氧气流量、加热操作电池电压输出、用于加热操作的运行CD和/或用于实现目标加热速率的运行背压。类似于确定目标加热速率，可以例如基于系统运行限制、特定应用限制、特定用户限制等单独或整体改变任何前述系统运行参数。作为示例而非限制，氢释放百分比为大约5-15％H2，或者在一些实施例中大约10％H2，燃料电池堆的电池电压输出设定为大约0.4-0.8V，或者在一些实施例中大约为0.55V或更低，基于50cm2的燃料电池活性面积的阴极侧氧气流量大约为0.5-1.9标准升每分钟(SLPM)，或者在一些实施例中大约0.6SLPM或更低。作为另一个更具体的非限制性示例，可以将氢释放百分比设定为约6-15％H2，燃料电池堆运行CD设定为约0.05-0.70A/cm2，氧气流量设定为约0.2-1.7SLPM。
燃料电池系统控制策略100的下一步来到过程块107，执行“冷启动”堆加热操作以使燃料电池堆20达到标准最低堆运行温度。根据图示示例，块107包括处理器可执行指令，以激活燃料电池堆并同时命令系统14的流体控制装置中的一个或多个(例如氢释放阀49)释放或将氢气以计算得到的氢释放百分比从阳极侧24引导至阴极侧26。这种释放操作迫使燃料电池堆产生更高水平的废热作为发电的化学反应的副产物。实际上，氢气直接引入阴极入口，与被引入催化剂的空气中的氧气发生化学反应，产生可用于加热燃料电池堆的高等级废热。同时，在块107处，ECU 72可以被进一步编程为命令燃料电池系统的流体控制装置(例如压缩机/泵52)中的一个或多个，从而在堆加热操作期间将氧气以改进的氧气流量引导至阴极侧例如以提高CCH速率。同时，一个或多个命令信号可以被发送到燃料电池堆以产生确定的电池电压输出，并且在堆加热操作期间在运行背压下操作燃料电池堆的阴极侧。就这一点而言，命令信号可以被发送到系统的一个流体控制装置，例如氧气旁通阀53，以将校准旁通百分比的氧气从阴极入口引导到阴极出口，使得旁通氧气将阴极废气流中的氢气稀释。采用这种方法，燃料电池系统可能例如缺乏用于加热燃料电池堆的专用电子加热装置。空气流量被设置为使氢泄漏最小化。
继续参考图2，方法100进行到判定块109，确定由块107的堆加热操作期间产生的废热决定的燃料电池堆的实际加热速率是否近似等于或大于在块103计算出的目标加热速率。如果燃料电池堆20的实际加热速率不等于或大于目标加热速率(dT/dt<ΔTdes；块109＝否)，ECU 72可以经由过程块111被编程为通过命令相应的流体控制装置进行自动回应，以增加的(或者调节的)氢释放百分比释放/引导氢气至燃料电池堆20的阴极侧26，使得燃料电池堆20产生更多增加的废热。在经过标准时间窗口(例如足以允许增加的氢释放百分比提高加热速率)之后，方法100可以循环回到判定块109，以再次确定燃料电池堆的由增加后的废热决定的实际加热速率是否低于目标加热速率。可以连续循环执行块109和111，直到：(1)达到目标加热速率；或(2)(a)经过了自堆加热操作开始后的预定时段(例如，超时)和/或(2)(b)达到了提高实际加热速率的最大循环次数(例如，默认五次)。
响应于确定实际加热速率近似等于或大于目标加热速率(dT/dt>ΔTdes；块109＝是)，方法100进行到判定块113，确定燃料电池堆运行温度是否达到标准最低堆运行温度。具体而言，在执行堆加热操作的标准时间段(例如，约1-2分钟，取决于系统约束和堆启动温度)之后，ECU 72检测燃料电池堆20的当前运行温度，并且将其与标准最低运行温度进行比较。如果确定运行温度不等于或高于标准最低堆运行温度，或者处于标准最低值的预设温度容差内(块113＝否)，则方法进行到如上所述的块111，以增加的氢释放百分比释放氢气至燃料电池堆20的阴极侧26。在氢气以增加的氢释放百分比被释放到阴极侧26的第二标准时间段之后，方法100循环回到块109，确定燃料电池堆的实际加热速率是否小于目标加热速率。可选地，方法100可以跳过块109，而从块111直接循环到块113，确定燃料电池堆的运行温度是否达到标准最低堆运行温度。如上所述，块109、111和/或113可以在受限制或不受限制的条件下循环执行，直到达到期望的堆运行温度。如果当前堆运行温度等于或高于标准最低运行温度，则ECU 72将进行到块115，暂停或终止堆加热操作。然后停止直接向阴极侧26释放氢气流，使得燃料电池系统14可以恢复到用于正常系统运行的默认运行参数。
图3-5提供了为实现目标加热速率的燃料电池系统运行参数的典型示例。例如，图3比较了在设定的释放百分比(例如，10％H2释放)以及三种不同氧气流量下，x轴上的燃料电池堆输出电功率(单位是瓦特每平方厘米W/cm2)与y轴上的产生的废热(W/cm2)，这三种不同的氧气流量是：201处的约1.6SLPM；203处的约0.6SLPM；以及205处的约0.3SLPM。该图表明，为了有效获得给定电力下的废热，可能需要在给定的一组系统运行条件下以低电位或最大电流或低流量运行。对于给定的％CCH(阴极催化加热)，可以获得冷启动下加热燃料电池堆的最大废热，例如通过较大的输出电功率，该输出电功率受阴极排气口处的最大泄露值限制(例如，4％H2泄露)。一些结构可以可选地允许用户在例如基于电池SOC、系统比热、座舱加热等计算的给定温度下设置最大容许电功率。电功率的下限可以受出口处％H2排放限制的约束。同样，电功率的下限可能与可供应给阴极入口的％H2的限制不同。例如，对于3％的泄露限制，电功率的下限可以限制为10％H2释放下的0.075W/cm2，或12％H2释放下的0.015W/cm2，或6％H2释放下的0W/cm2。最佳运行条件可能是在阴极入口采用10％H2释放时的0.125W/cm2。
比较而言，图4针对不同氧气流量和stoic设定点(301处的大约1.9SLPM；303处的大约0.5SLPM；305处的stoic 6；以及307处的stoic 3)在设定的释放百分比(例如，6％H2释放)下，并置x轴上的燃料电池堆电压输出(V)与y轴上的氢气泄漏(％H2)。该详细附图说明氢氧反应(HOR)的时间常数低于氢气流的停留时间。在这种情况下，可能需要将加热操作限制在3％H2泄露极限。另一方面，图5针对四种不同氧气流量在设定的释放百分比(例如，10％H2释放)下，比较了x轴上的运行电流密度(A/cm2)与y轴上的％H2(出口内)，这四种不同的氧气流量是：401处的约1.6SLPM(250kPa的阴极背压)；403处的约1.6SLPM(150kPa的阴极背压)；405处的约0.6SLPM；以及407处的约0.3SLPM。类似于向阴极入口释放H2，可以调节混有氢气的空气的流量和阴极的背压以有效加热和减少排放。从这些图中可以看出，在低电位或高电流下运行可能有助于最小化氢气泄露并获得更多的废热和电力。基于出口排放限制，％H2释放下限可以较低。对于至少一些应用，可能需要以低流量运行以使给定电力下的废热最大化。然而，为了确保燃料电池系统能够以更低的流量运行，可以缓慢增加入口流量，使得系统可以提供所需的电力和期望的废热。
在一些实施例中，本公开的各方面可以通过诸如程序模块的计算机可执行程序指令来实现，该程序模块通常被称为软件应用或由车载计算机执行的应用程序。在非限制性示例中，软件可以包括执行特定任务或实现特定抽象数据类型的例程、程序、对象、部件和数据结构。该软件可以形成一个界面，以允许计算机根据输入源做出反应。该软件还可以与其他代码段合作，以响应与接收到的数据源一起接收到的数据来发起各种任务。该软件可以存储在各种存储介质中的任何一种上，例如CD-ROM、磁盘、磁泡存储器和半导体存储器(例如，各种类型的RAM或ROM)。
此外，本公开的各方面可以由各种计算机系统和计算机网络结构实施，包括多处理器系统、基于微处理器或可编程消费者电子设备、小型计算机、大型计算机等。另外，本公开的各方面可以在分布式计算环境中实施，其中任务由通过通信网络链接的远程处理装置执行。在分布式计算环境中，程序模块可以位于包括存储器存储装置的本地和远程计算机存储介质中。因此，可以在计算机系统或其他处理系统中结合各种硬件、软件或其组合来实现本公开的各方面。
本文描述的任何方法可以包括由(a)处理器、(b)控制器和/或(c)任何其他合适的处理装置执行的机器可读指令。本文公开的任何算法、软件或方法可以体现在存储于有形介质，例如闪存、CD-ROM、软盘、硬盘驱动器、数字多功能盘(DVD)或其他存储装置上的软件中，但是本领域的普通技术人员将容易理解，整个算法和/或其部分还可以由除了控制器之外的装置执行和/或以其他方式体现在固件或专用硬件中，例如可以通过专用集成电路(ASIC)、可编程逻辑器件(PLD)、现场可编程逻辑器件(FPLD)、离散逻辑等实现。此外，尽管参照本文所描绘的流程图描述了特定算法，但本领域的普通技术人员将容易理解，还可以使用许多其他方法来执行示例机器可读指令。例如，可以改变块的执行顺序和/或可以改变、去除或组合所描述的一些块。
尽管参照所示实施例详细描述了本公开的各方面，但是本领域技术人员将认识到，在不脱离本公开的范围的情况下可以对其做出许多修改。本发明不限于本文公开的具体构造和组成；以上描述内容的显而易见的任何和所有修改、改变和变化均落入如所附权利要求书所限定的本公开的范围内。此外，本概念明确地包括前述元件和特征的任何和所有组合和子组合。

Claims (10)

1.一种用于调节燃料电池堆温度的方法，所述燃料电池堆包括阳极侧、阴极侧以及用于分别将氢气流和氧气流引导至所述燃料电池堆的第一和第二流体控制装置，所述方法包括：
确定所述燃料电池堆的预启动温度；
针对所述预启动温度，确定将所述燃料电池堆加热至标准最低堆运行温度的目标加热速率；
确定针对所述确定的目标加热速率的氢释放百分比；
执行堆加热操作，所述堆加热操作包括激活所述燃料电池堆并且命令所述第一流体控制装置以所述氢释放百分比将氢气引导至所述阴极侧，使得所述燃料电池堆产生废热；
在执行所述堆加热操作的标准时间段之后，确定所述燃料电池堆的运行温度是否等于或高于所述标准最低堆运行温度；以及
响应于所述运行温度等于或超过所述标准最低堆运行温度，停止所述堆加热操作。
2.根据权利要求1所述的方法，还包括：响应于所述运行温度不等于或超过所述标准最低堆运行温度：
命令所述第一流体控制装置以增加的氢释放百分比将氢气引导至所述阴极侧以产生增加的废热；以及
在氢气以所述增加的氢释放百分比被引导至所述阴极侧的第二标准时间段之后，确定所述燃料电池堆的运行温度是否等于或超过所述标准最低堆运行温度。
3.根据权利要求1所述的方法，还包括：
确定源于所述产生的废热的所述燃料电池堆的实际加热速率是否小于所述目标加热速率；以及
响应于所述实际加热速率小于所述目标加热速率，命令所述第一流体控制装置以增加的氢释放百分比将氢气引导至所述阴极侧，使得所述燃料电池堆产生增加的废热。
4.根据权利要求3所述的方法，还包括：
在氢气以所述增加的氢释放百分比被引导至所述阴极侧的第二标准时间段之后，确定所述燃料电池堆的所述运行温度是否等于或高于所述标准最低堆运行温度；以及
响应于所述运行温度等于或超过所述标准最低堆运行温度，暂停所述堆加热操作。
5.根据权利要求4所述的方法，还包括：响应于所述运行温度不等于或超过所述标准最低堆运行温度：
命令所述第一流体控制装置以更多增加的氢释放百分比将氢气引导至所述阴极侧以产生更多增加的废热；
确定源于所述更多增加的废热的所述燃料电池堆的所述实际加热速率是否小于所述目标加热速率；以及
确定所述燃料电池堆的所述运行温度是否等于或超过所述标准最低堆运行温度。
6.根据权利要求3所述的方法，其中对所述运行温度是否等于或超过所述标准最低堆运行温度的确定是响应于所述实际加热速率不小于所述目标加热速率而执行的。
7.根据权利要求1所述的方法，还包括：
针对所述确定的目标加热速率，确定改进的氧气流量；以及
命令所述第二流体控制装置在所述堆加热操作期间以所述改进的氧气流量将氧气引导至所述阴极侧。
8.根据权利要求1所述的方法，还包括：
确定针对所述确定的目标加热速率的电池电压输出；以及
命令所述燃料电池堆在所述堆加热操作期间产生所述确定的电池电压输出。
9.根据权利要求8所述的方法，其中所述氢释放百分比为大约5-15％H2，所述燃料电池堆的所述电池电压输出为大约0.4-0.8V，所述阴极侧氧气流量大约为0.5-1.9标准升每分钟。
10.根据权利要求1所述的方法，还包括：
确定所述确定的目标加热速率的运行电流密度(CD)；以及
命令所述燃料电池堆在所述堆加热操作期间以所述确定的运行CD运行。
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