專利名稱：使用于低于冰點的環(huán)境條件的燃料電池電站操作系統(tǒng)和方法
技術領域：
本發(fā)明涉及燃料電池，其適合用于運輸車輛、移動電站、或如固定電站，以及本發(fā)明特別是涉及用于最小化有關燃料電池水凍結問題的燃料電池電站操作系統(tǒng)。
背景技術：
燃料電池是眾所周知的，并且通常被用于從包含還原液態(tài)燃料(reducingfluid fuel)的氫和包含氧化劑反應物流的氧產生電功率以向諸如發(fā)電機和運輸車輛這樣的電氣設備供電。在現(xiàn)有技術的燃料電池中，使用質子交換膜(proton exchangemembrane, “PEM”)作為電解質是已知的。如眾所周知的，在陽極催化劑層處形成的質子穿過電解質移動到陰極催化劑層，而電子移動穿過電路來給負載供電。當電子完成該電路回到燃料電池時并且當氧化劑經過陰極催化劑附近時，在陰極催化劑處形成燃料電池產物水(fuel cell product water)。使用這樣的燃料電池來給運輸車輛供電必要地包括許多起動-停止循環(huán)，其中的一些會發(fā)生在低于冰點的環(huán)境條件中。一般，在PEM燃料電池中的燃料電池產物水至少部分地被再循環(huán)，或被利用以使膜與水化合，以使反應物流濕潤，以從膜電極組裝(membraneelectrode assembly, “MEA”)去除熱，以支持燃料重整器，以及為了其他眾所周知的目的。在低于冰點的環(huán)境條件中，燃料電池水的凍結可能阻塞引導反應物流穿過燃料電池的流動路徑(f 1w path ),從而破壞燃料電池性能。

最小化燃料電池產物水的凍結問題的努力包括使用復雜的和昂貴的燃料加熱器(fuel fired heater),使用來自燃料電池電站電池組(battery)的寄生功率(parasiticpower)的電加熱器，冷卻水流動流內復雜的防凍解決方案，等等。排他地依賴在燃料電池的啟動時由操作燃料電池所生成的熱以防止燃料電池產物水凍結和阻塞反應物流流動通道(flow channel)也是已知的。這樣的啟動常常被稱作“輔助程序啟動”(boot strapstart-up)，因為燃料電池本身提供其自己的熱用于防止在啟動期間產生的燃料電池產物水的凍結。然而不幸地，當環(huán)境條件極端冷的時候，或者當燃料電池在低于冰點的環(huán)境條件中只被操作短的持續(xù)時間(諸如，2-3分鐘或者更短的車輛操作)時，在啟動時生成的燃料電池產物水可能在陰極催化劑層的孔隙內和在鄰近陰極和/或陽極催化劑層的反應物流動孔隙或通道內保持在低于冰點的條件。于是這樣低于冰點的燃料電池水可能凍結和阻塞或限制氣態(tài)反應物流到燃料電池催化劑的通路。這是特別棘手的問題，如果燃料電池供電的車輛經歷一次或更多中止的起動(aborted start)的話，其意味著操作者發(fā)起燃料電池停止運轉，一般通過在燃料電池達到凍結-安全(freeze-safe)操作溫度之前在燃料電池啟動過程期間關斷燃料電池開/關轉換設備(on/off switching device)。這可能由于正常車輛操作境況的各種典型原因而發(fā)生，諸如操作者返回到住處內去取遺忘的物項，非常短的旅程，諸如去鄰居的住處，等等。于是凍結的燃料電池水通過阻止和/或嚴重限制鄰近燃料電池催化劑、尤其是鄰近陰極催化劑的反應物流的流動，可能相當大地妨礙在低于冰點的環(huán)境條件中啟動燃料電池時的后續(xù)努力。關鍵點或主要問題是當電站由于其操作環(huán)境不適宜停止運轉時，電站停止運轉信號被發(fā)送到電站控制器。

發(fā)明內容
本公開是用于在低于冰點的環(huán)境條件中啟動燃料電池的燃料電池電站操作系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括燃料電池，用于引導氧化劑和燃料反應流通過燃料電池以生成電流并且通過負載電路向主要負載提供電流。系統(tǒng)控制器控制燃料電池的操作以及向操作電路傳送控制信號，該操作電路被固定(secured)在與系統(tǒng)控制器和燃料電池及在系統(tǒng)控制器和燃料電池之間的通信中，用于控制燃料電池的操作，包括通過控制通過燃料電池的反應物流的流動。溫度傳感器被固定在燃料電池上，用于感測鄰近燃料電池的電解質的溫度，并且溫度傳感器將所感測的溫度傳送給系統(tǒng)控制器。開/關轉換設備被固定在與系統(tǒng)控制器和操作電路及在系統(tǒng)控制器和操作電路之間的通信中，并且選擇性地允許操作電路來操作燃料電池。開/關轉換設備旁路電路(by-pass circuit)被固定在與系統(tǒng)控制器和操作電路及在系統(tǒng)控制器和操作電路之間的通信中，用于在開/關轉換設備被關斷并且溫度傳感器感測到燃料電池溫度低于預定的凍結-安全操作溫度時，選擇性地允許操作電路來操作燃料電池。為了此處的目的，短語“開/關轉換設備”指的是任意轉換設備、信號、能夠將指令傳送給系統(tǒng)控制器以選擇性地啟動和停止運轉燃料電池的通信設備或方法。通過允許燃料電池的操作，開/關轉換設備旁路電路允許燃料電池生成足夠的熱以將燃料電池催化劑層內和其附近的燃料電池水保持在液態(tài)形式直到燃料電池溫度達到預定的凍結-安全操作溫度為止。在該溫度，燃料電池將達到了液態(tài)和氣態(tài)燃料電池產物水的可接受的平衡。升高的溫度將幫助液態(tài)水從陰極催化劑及其附近蒸發(fā)，并且于是水蒸氣將和氧化劑反應物流一起移出燃料電池。同時地，升高的燃料電池溫度將融化在氣體擴散層的孔隙內凍結的燃料電池水，所述氣體擴散層擴散鄰近催化劑的反應物流的流動。在凍結-安全操作溫度，燃料電池可能被停止運轉，而沒有在催化劑層的孔隙內和/或在鄰近的反應物流動路徑內形成 不可接受水平的破壞性冰。在開/關轉換設備旁路電路受控制的燃料電池操作期間所產生的燃料電池電流可以被引導通過旁路電路至諸如燃料電池電池組(fuel cell battery)、加熱器的輔助負載(auxiliary load),或者僅僅至諸如散熱器等等的電阻性負載(resistive load)，而不是至主要負載(例如，車輛發(fā)動機)。因此，本公開的一般目的是提供用于在低于冰點的環(huán)境條件中使用的燃料電池電站操作系統(tǒng)和方法，其克服現(xiàn)有技術的缺陷。更特定的目的是提供用于在低于冰點的環(huán)境條件中使用的燃料電池電站操作系統(tǒng)和方法，其最小化在燃料電池電站啟動過程和后續(xù)燃料電池電站操作期間有關燃料電池產物水凍結的問題。當結合附圖閱讀下列描述時，本公開的這些和其他目的和優(yōu)點將變得更加顯而易見。


圖1是依照本公開而構造的用于在低于冰點的環(huán)境條件中使用的燃料電池電站操作系統(tǒng)和方法的簡化示意表示。圖2是判定流程圖，表示了依照本發(fā)明的用于在低于冰點的環(huán)境條件中使用的燃料電池電站操作方法。
具體實施例方式詳細地參考附圖，在圖1中示出了用于在低于冰點的環(huán)境條件中操作電站的燃料電池電站操作系統(tǒng)的簡化示意表示，并且通常由參考數(shù)字10指定。燃料電池電站系統(tǒng)10包括燃料電池12，用于引導氧化劑和燃料反應物流通過燃料電池12以生成電流并且通過負載電路14和主要負載轉換設備15向諸如電動機的主要負載16提供電流。燃料電池12包括氧化劑源18，用于存儲并且引導氧化劑反應物流通過被固定在氧化劑吸入管路(oxidant inlet Iine>20上的氧化劑鼓風機19和氧化劑吸入閥22進入陰極流場(cathodeflow field) 24用于引導氧化劑反應物流以經過陰極催化劑26附近并且通過陰極排出管路(cathode exhaust line) 28和被固定在管路28上的陰極排出閥30從陰極流場24出來。燃料電池12也包括燃料源32，用于存儲和引導富氫反應物流通過燃料吸入管路34和燃料吸入閥36進入陽極流場38用于引導氫反應物流以經過陽極催化劑40附近并且通過陽極排出管路42和被固定在管路42上的陽極排出閥44從陽極流場38出來。系統(tǒng)控制器46控制燃料電池12的操作，并且可以是任意已知的并且能夠如此處所述執(zhí)行系統(tǒng)控制功能的控制裝置，諸如計算機、微計算機、機電閥和由人工操作者、傳輸?shù)介y和轉換設備的由計算機生成的控制信號操作的轉換設備等等。系統(tǒng)控制器46向操作電路48傳送控制信號，該操作電路48被固定在與系統(tǒng)控制器46和燃料電池12及在系統(tǒng)控制器46和燃料電池12之間的通信中，用于控制燃料電池12的操作，包括通過控制通過燃料電池吸入閥22、36和排出閥30、44的反應物流的流動，和通過控制主要負載轉換設備
15。為了解釋的效率，操作電路48在圖1中被示意性地示出為延伸在系統(tǒng)控制器46和閥
22、30、36、44和主要負載轉換設備15之間的操作線路50A、50B、50C和50D。然而，操作電路48可能更加復雜，包括已知的電路控制裝置，其通過任意形式的信號通信裝置激活用于控制閥和轉換設備，并且可以包括很多對于本公開的解釋不是必要的、但對于燃料電池12的有效操作是必要的中間的和補助的裝置。溫度傳感器52被固定在燃料電池12上，用于感測鄰近燃料電池12的電解質54的溫度，并且用于將所感測的溫度傳送給系統(tǒng)控制器46，諸如通過溫度線路56。開/關轉換設備58被固定在與系統(tǒng)控制器46和操作電路48及在系統(tǒng)控制器46和操作電路48之間的通信中，并且如以上所述的，選擇性地允許操作電路48來操作燃料電池12。(通過短語“選擇性地允許”，這意味著該開/關轉換設備58可以由操作者(未示出)或者系統(tǒng)控制器46從以下來選擇:位置“開(on)”(轉換設備閉合)以允許控制電路48的操作，或者位置“關(off)”(轉換設備斷開)以結束燃料電池12的操作。)
開/關轉換設備芳路電路60被固定在與系統(tǒng)控制器46和 呆作電路48及在系統(tǒng)控制器46和操作電路48之間的通信中。響應于從溫度傳感器52接收到的所感測的溫度，當開/關轉換設備58被關斷并且溫度傳感器52感測到燃料電池12的溫度低于預定的凍結-安全操作溫度時，系統(tǒng)控制器46選擇性地允許開/關轉換設備旁路電路60繞過開/關轉換設備58從而允許操作電路48來操作燃料電池12。通過短語“預定的凍結-安全操作溫度”，這意味著為每個特定的燃料電池確定特定的溫度，在該特定的溫度時或高于該特定的溫度，在停止運轉燃料電池時冰的形成不導致或導致最小限度的問題。開/關轉換設備旁路電路60也與系統(tǒng)控制器46、操作電路48、主要負載轉換設備15和輔助負載轉換設備62固定及被固定在其之間。旁路電路60被配置用于關斷(斷開)主要負載轉換設備15，并且同時地接通(閉合)輔助負載轉換設備62，從而在使用旁路電路60期間生成的電流被引導至輔助負載64，而不是主要負載16。輔助負載64可以是電池組和/或電容器、加熱電路、電阻性負載或者其他這樣的負載。開/關旁路電路60在圖1中被示意性地示出為延伸在系統(tǒng)控制器46、操作電路48、主要負載轉換設備15和輔助負載轉換設備62之間的多個通信線路66A、66B和66C(例如，電氣線路、傳輸路徑，等等)。然而，旁路電路60也可以包括能夠執(zhí)行所述功能的任意信
號通信裝置。當開/關轉換設備58、控制電路48和旁路電路60被示出為與系統(tǒng)控制器46分開時，通過該描述意味著轉換設備58、控制電路48和旁路電路60具有單獨的功能。可能的是，開/關轉換設備58、控制電路線路50A、50B、50C、50D、旁路電路60和旁路電路線路66A、66B、66C可以以各種協(xié)作結構在物理上被集成在系統(tǒng)控制器46內，并且對于每個部件僅通過在此處所述的功能分開。 圖2示出了判定流程圖，其有效地解釋了本公開的燃料電池電站操作系統(tǒng)10的操作。針對燃料電池12，其會是為運輸車輛(未示出)供電的燃料電池電站(未示出)的燃料電池堆(未示出)內的多個互連燃料電池中的一個，在圖2中示出的行動和判定開始于車輛操作者或者用戶發(fā)起的車輛停止70，諸如通過關斷(斷開)開/關轉換設備58。當用戶發(fā)起停止運轉、(轉換設備-關)，控制器46判定，如在判定框72中所示的，是否發(fā)生了中止的凍結起動(aborted freeze start)。中止的凍結起動被定義為當在用戶發(fā)起的車輛起動(轉換設備-開)時燃料電池的內部溫度低于0°C并且在用戶發(fā)起的停止(轉換設備-關)時燃料電池12的內部溫度沒有升至高于凍結-安全操作溫度時發(fā)生。如果確定沒有發(fā)生中止的凍結起動，那么如在圖2的框78中所示，系統(tǒng)控制器46的中止起動計數(shù)器被重置為0，并且如在圖2的框80中所示，控制器46繼續(xù)進行燃料電池12電站正常停止運轉程序。如果如圖2中在參考74處由“是”所示的，確定發(fā)生中止的凍結起動，那么如在框82和判定框84中所示，系統(tǒng)控制器46判定中止的凍結起動的次數(shù)是否超過了預定的極限。如果中止的凍結起動的次數(shù)小于或等于預定的極限，那么中止的凍結起動的次數(shù)被遞增I并且如在參考86和“正常停止運轉”框88處由“否”判定所示，控制器46正常地停止運轉燃料電池12。如果如在參考90處由“是”判定所示，中止的凍結起動的次數(shù)超過了預定的極限，那么如在參考92中所示,控制器發(fā)起燃料電池變熱(warm-up)程序。通過短語“中止凍結起動(abort freeze start)”, “中止啟動”,或者“中止的凍結起動”，并不意味著燃料電池12沒能起動。代替地,中止的凍結起動意味著在低于冰點的環(huán)境條件中起動之后并且在燃料電池12達到預定的凍結-安全操作溫度之前，燃料電池用戶關斷燃料電池開/關轉換設備58。例如，可能在極端冷的環(huán)境條件中發(fā)生這樣的中止的起動，其中車輛行駛了短于幾百米的非常短的旅程。在燃料電池變熱程序中，當旁路電路60關斷(斷開)主要負載轉換設備15，并且接通(閉合)輔助負載轉換設備62時，系統(tǒng)控制器46將占用開/關轉換設備旁路電路60以保持氧化劑和燃料反應物流流經燃料電池12。于是燃料電池12將操作或運行直到溫度傳感器52感測到燃料電池12的溫度超過了預定的凍結-安全操作溫度“X”，如在圖2的框92中所示。于是系統(tǒng)控制器46將控制燃料電池12以進行正常的停止運轉程序，如在圖2的框94中所示。這樣的“正常停止運轉”可以包括取決于燃料電池12的設計、燃料電池12的操作環(huán)境、和環(huán)境條件等等的各種步驟和/或過程。例如，氧化劑鼓風機19可以由系統(tǒng)控制器46控制，以便以變化的流速操作并且根據(jù)這樣的因素操作變化的持續(xù)時間。此外，由系統(tǒng)控制器46通過開/關轉換設備旁路電路60進行的燃料電池12的操作可以被控制以在有用的電壓上操作燃料電池12 (例如，大于0.6伏特)，或者氧化劑鼓風機19可以被控制以便以最低速度操作以產生虛擬氧化劑匱乏模式，而讓電壓降至大約0.0伏特。用于燃料電池的該操作的功率可以來自輔助負載64電池組，等等。因此，在低于冰點的環(huán)境條件中啟動燃料電池12的有效方法包括通過接通開/關轉換設備58來啟動燃料電池12，從而氧化劑和燃料反應物流流經燃料電池12，以產生用于主要負載16的電流；當燃料電池12在燃料電池電解質54附近具有低于預定的凍結-安全操作溫度的溫度時，關斷開/關轉換設備58 ;并且，控制燃料電池12以繼續(xù)操作直到當開/關轉換設備58被關斷時燃料電池12在電解質54附近的溫度高于預定的凍結-安全操作溫度為止。該方法也可以包括，在關斷開/關轉換設備58之后，將電流從主要負載16引導至輔助負載64，以及在第一中止的起動84之后只控制燃料電池12以繼續(xù)操作，如在圖2中所示的。如以上所描述的，當燃料電池12在溫度方面升高到凍結-安全操作溫度“X”時，燃料電池12將達到了液態(tài)和氣態(tài)水的可接受的和穩(wěn)定的操作平衡，從而于是燃料電池12可以被停止運轉而沒有在陰極催化劑26和/或陽極催化劑40的孔隙內以及在鄰近的陰極流場24和陽極流場38和有關的反應物流流動路徑內形成不可接受水平的破壞性冰。通過允許燃料電池12的操作 ，開/關轉換設備旁路電路60允許燃料電池12生成足夠的熱來將在燃料電池催化劑內及附近的燃料電池12水保持在液態(tài)形式，直到燃料電池12的溫度達到預定的凍結-安全操作溫度“X”。升高的溫度將特別地幫助液態(tài)水從陰極催化劑26及附近蒸發(fā)，并且于是水蒸氣將和氧化劑反應物流一起從燃料電池12中移出，從而燃料電池12可以經歷正常和安全的停止運轉。雖然關于已說明的用于在低于冰點的環(huán)境條件中使用的燃料電池12電站操作系統(tǒng)10和方法描述了本申請，要理解的是本發(fā)明并不局限于那些實施例。例如，雖然出于解釋的目的將燃料電池12示出為單一的電池12，要理解的是燃料電池12的使用更有可能是在眾所周知的燃料電池堆組裝(fuel cell stack assembly)(未示出)中以協(xié)作歧管等等布置的各種鄰近的燃料電池(未示出)內。因此，應當主要地參考下列權利要求而不是先前的描述來確定本發(fā)明的范圍。
權利要求
1.一種燃料電池電站操作系統(tǒng)(10)，該系統(tǒng)(10)包括: a.燃料電池(12)，其被配置用于引導氧化劑和燃料反應物流通過燃料電池(12)以生成電流并且在燃料電池(12)的操作期間通過負載電路(14)向主要負載(16)提供該電流； b.系統(tǒng)控制器(46)，其被固定在與燃料電池(12)的通信中，用于當開/關轉換設備(58)指示系統(tǒng)控制器(46)停止運轉燃料電池(12)時并且當溫度傳感器(52)感測到燃料電池(12)溫度低于預定的凍結-安全操作溫度時，維持燃料電池的操作(12)。
2.權利要求1的系統(tǒng)(10)，進一步包括輔助負載(64)，其被固定在與燃料電池(12)的電力通信中，并且被固定在與系統(tǒng)控制器(46)的通信中，從而每當在開/關轉換設備(58)指示系統(tǒng)控制器(46 )停止運轉燃料電池(12 )時和在溫度傳感器(52 )感測到燃料電池(12 )溫度低于預定的凍結-安全操作溫度時，系統(tǒng)控制器(46)維持燃料電池(12)的操作的時候，燃料電池(12)生成的電流從主要負載(16)被引導到輔助負載(64)。
3.一種燃料電池電站操作系統(tǒng)(10)，該系統(tǒng)(10)包括: a.燃料電池(12)，其被配置用于引導氧化劑和燃料反應物流通過燃料電池(12)以生成電流并且在燃料電池(12)的操作期間通過負載電路(14)向主要負載(16)提供該電流； b.系統(tǒng)控制器(46)，其被固定在與燃料電池(12)的通信中，用于控制燃料電池(12)的操作； c.操作電路(48)，其被固定在與系統(tǒng)控制器(46)和燃料電池(12)及在系統(tǒng)控制器(46)和燃料電池(12)之間的通信中，用于控制燃料電池(12)的操作，包括通過響應于從系統(tǒng)控制器(46)接收的控制信號控制反應物流通過燃料電池(12)的流動； d.溫度傳感器(52)，其被固定在燃料電池(12 )上，用于感測燃料電池(12 )的溫度，并且用于將所 感測的溫度傳送給系統(tǒng)控制器(46)； e.開/關轉換設備(58)，其被固定在與系統(tǒng)控制器(46 )和操作電路(48 )及在系統(tǒng)控制器(46)和操作電路(48)之間的通信中，用于選擇性地允許操作電路(48)來操作燃料電池(12);和 f.開/關轉換設備旁路電路(60)，其被固定在與系統(tǒng)控制器(46 )和操作電路(48 )及在系統(tǒng)控制器(46)和操作電路(48)之間的通信中，用于當轉換設備(58)被關斷并且溫度傳感器(52)感測到燃料電池(12)溫度低于預定的凍結-安全操作溫度時，選擇性地允許燃料電池(12)的操作。
4.權利要求3的燃料電池電站操作系統(tǒng)(10)，進一步包括輔助負載(64)，其被固定在通過輔助負載轉換設備(62)與燃料電池(12)的電力通信中，并且被固定在與系統(tǒng)控制器(46)的通信中，從而每當在開/關轉換設備(58)指示系統(tǒng)控制器(46)停止運轉燃料電池(12)時和在溫度傳感器(52)感測到燃料電池(12)溫度低于預定的凍結-安全操作溫度時，系統(tǒng)控制器(46)維持燃料電池(12)的操作的時候，燃料電池(12)生成的電流從主要負載(16)被引導到輔助負載(64)。
5.—種在低于冰點的環(huán)境條件中操作燃料電池電站系統(tǒng)(10)的方法,該方法包括: a.通過接通開/關轉換設備(58)啟動燃料電池(12 )以引導氧化劑和燃料反應物流流經燃料電池(12)，以操作燃料電池(12)來產生被引導到主要負載(16)的電流； b.當燃料電池(12)在燃料電池電解質(54)附近具有低于預定的凍結-安全操作溫度的溫度時，通過關斷開/關轉換設備(58)來執(zhí)行第一中止的凍結起動；并且C.控制燃料電池(12)以繼續(xù)操作直到當開/關轉換設備(58)被關斷時燃料電池(12)在在電解質(54)附近的溫度高于預定的凍結-安全操作溫度為止。
6.權利要求5的方法進一步包括，在關斷開/關轉換設備(58)之后，將電流從主要負載(16)引導至輔助負載(64)。
7.權利要求5的方法進一步包括，在執(zhí)行了第一中止的凍結起動之后，然后當燃料電池在燃料電池電解質(54)附近具備低于預定的凍結-安全操作溫度的溫度時通過接通開/關轉換設備(58)接著關斷開/關轉換設備(58)來執(zhí)行第二中止的凍結起動，并且然后控制燃料電池(12)以繼續(xù)操作，直到當開/關轉換設備(58)被關斷時燃料電池(12)在電解質(54)附近的溫度高于預 定的凍結-安全操作溫度為止。
全文摘要
燃料電池電站操作系統(tǒng)(10)包括開/關轉換設備旁路電路(60)用以每當在燃料電池操作溫度低于預定的凍結-安全操作溫度時燃料電池(12)開/關轉換設備(58)被關斷的時候維持燃料電池(12)的操作。旁路電路(60)操作燃料電池(12)直到燃料電池(12)溫度達到或者超過凍結-安全溫度從而防止燃料電池(12)產物水在燃料電池催化劑(26，40)中及附近變成冰。
文檔編號H01M8/04GK103229340SQ201080070576
公開日2013年7月31日 申請日期2010年12月7日 優(yōu)先權日2010年12月7日
發(fā)明者T.帕特森, P.巴德里納拉亞南 申請人:聯(lián)合工藝公司