專利名稱：端部電池加熱器失效后提高燃料電池堆可靠性的方法
技術領域：
本發(fā)明總體上涉及一種用于提高燃料電池系統(tǒng)的可靠性的系統(tǒng)和 方法，且更具體而言，本發(fā)明涉及一種響應于燃料電池堆中的端部電池 加熱器失效而采取預防性措施從而使燃料電池堆的劣化降至最低程度 和/或防止燃料電池堆失效直至有可能進行修理的系統(tǒng)和方法。
背景技術：
氫由于其清潔性且可用來在燃料電池中高效發(fā)電而因此是一種非 常有吸引力的燃料。氫燃料電池是包括陽極和陰極以及位于其間的電解 質的電化學裝置。陽極接收氫氣且陰極接收氧或空氣。氫氣在陽極中離 解以便產(chǎn)生自由質子和電子。該質子通過電解質而到達陰極。質子在陰 極中與氧和電子進行反應而產(chǎn)生水。來自陽極的電子不能通過電解質， 且因此在被傳送至陰極之前被引導通過負載而做功。
質子交換膜燃料電池(PEMFC )是一種被車輛普遍采用的燃料電池。 質子交換膜燃料電池通常包括固體聚合物電解質質子傳導膜，如全氟磺 酸膜。陽極和陰極通常包括被擔載在碳顆粒上并與離聚物混合的細分散 催化顆粒，該催化顆粒通常為鉑(Pt)。催化混合物被沉積在膜的相對 側上。陽極催化混合物、陰極催化混合物與膜的組合限定出膜電極組件 (MEA)。
多個燃料電池通常被組合在燃料電池堆中以便產(chǎn)生所需功率。燃料 電池堆接收陰極反應劑氣體，所述陰極反應劑氣體通常是在壓縮機的作 用下受力通過燃料電池堆的空氣流。并非所有的氧都被燃料電池堆消耗 且其中一些空氣作為陰極排出氣體被輸出，所述陰極排出氣體可包括水 作為燃料電池堆副產(chǎn)物。燃料電池堆還接收流入燃料電池堆的陽極側內 的陽極氫反應劑氣體。燃料電池堆還包括供冷卻流體流動通過的流動通 道。
燃料電池堆通常包括位于燃料電池堆中的多個膜電極組件之間的 一系列雙極板，其中雙極板和膜電極組件位于兩塊端板之間。雙極板包 括用于燃料電池堆中的相鄰燃料電池的陽極側和陰極側。陽極氣體流動通道被設置在雙極板的陽極側上，所迷陽極氣體流動通道允許陽極反應 劑氣體流至相應的膜電極組件。陰極氣體流動通道被設置在雙極板的陰 極側上，所述陰極氣體流動通道允許陰極反應劑氣體流至相應的膜電極 組件。 一塊端板包括陽極氣體流動通道，且另一端板包括陰極氣體流動 通道。雙極板和端板由導電材料例如不銹鋼或導電復合材料制成。端板 將由燃料電池產(chǎn)生的電力導出燃料電池堆。雙極板還包括供冷卻流體流 動通過的流動通道。
燃料電池內的膜需要具有一定的相對濕度，從而使得穿過膜的離子 阻力低到足以有效地傳導質子的程度。該濕化可來自燃料電池堆的水副 產(chǎn)物或外部濕化。流動通過流動通道的反應劑氣體流在膜上產(chǎn)生了干燥 效應，這一點在流動通道的入口處最為明顯。此外，由于膜的相對濕度 和水副產(chǎn)物使水滴積聚在流動通道內，這種積聚可防止反應劑氣體流動 通過其中，且導致電池失效，因此影響燃料電池堆的穩(wěn)定性。在燃料電 池堆輸出負栽較低的情況下，水在反應劑氣體流動通道中產(chǎn)生的積聚特 別麻煩。
與燃料電池堆中的其它電池相比，燃料電池堆中的端部電池通常具 有不同的性能且對于運行條件的敏感性也有所不同。特別地，端部電池 在位置上最接近燃料電池堆的周圍環(huán)境溫度，且因此具有溫度梯度，由 于存在各種熱量損失，因此所述溫度梯度導致它們在更低的溫度下運 行。由于端部電池通常比燃料電池堆中其余的電池更冷，因此氣態(tài)水更 易于冷凝成液態(tài)水，從而使端部電池具有更高的相對濕度，這導致更易 于在端部電池的流動通道中形成水滴。進一步地，在低燃料電池堆負載 下，可用來將水推出流動通道的反應劑氣體流的量被大大減少。此外， 在低燃料電池堆負栽下，冷卻流體的溫度被降低，這降低了燃料電池堆 的溫度且通常提高了反應劑氣體流的相對濕度。
利用位于端部單元與單極板之間的電阻加熱器來加熱燃料電池堆 的端部電池以便補償熱損失的做法是本領域已公知的。然而，有時這些 端部電池加熱器在保持該加熱器的位置處會產(chǎn)生失效，這可導致出現(xiàn)比 沒有端部電池加熱器的燃料電池堆更嚴重的問題。

發(fā)明內容
根據(jù)本發(fā)明的教導，披露了一種用于在燃料電池堆中出現(xiàn)端部電池加熱器失效的情況下提高燃料電池系統(tǒng)可靠性的系統(tǒng)和方法。所述方法 包括檢測端部電池加熱器已無法恒定處于接通狀態(tài)。如果檢測到端部電
池加熱器失效，則所述方法執(zhí)行以下步驟中的一個或多個步驟將冷卻 流體泵設定為驅動冷卻流體通過所述燃料電池堆中的冷卻流體流動通 道的預定速度、限制所述燃料電池堆的輸出功率、限制流出所述燃料電 池堆的所述冷卻流體的最高溫度、關閉可用來從所述燃料電池堆中的反 應劑氣體流動通道中去除水的燃料電池堆的抗溢流算法 (anti-f looding algorithms)、以及關閉陰極化學計量比調節(jié)，所述 陰極化學計量比調節(jié)用來響應于在所述燃料電池堆中的陰極流動通道 中出現(xiàn)的水積聚而進行相對濕度控制。
通過下面的描述和所附權利要求書并結合附圖將易于理解本發(fā)明 的附加特征。


圖1示出了燃料電池系統(tǒng)的示意性平面圖；和 圖2是示出了根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的用于在出現(xiàn)端部電池加熱 器失效的情況下提高燃料電池系統(tǒng)可靠性的運行的流程圖。
具體實施例方式
下面對針對一種用于在出現(xiàn)端部電池加熱器失效的情況下提高燃 料電池系統(tǒng)可靠性的系統(tǒng)和方法的本發(fā)明的實施例進行的討論在本質 上僅是示例性的，且絕不旨在限制本發(fā)明或其應用或使用。
圖1是包括燃料電池堆12的燃料電池系統(tǒng)10的平面圖。燃料電池 堆12包括位于燃料電池堆12的端部電池中的端部電池加熱器14和16。 在一個非限制性實施例中，端部電池加熱器14和16是電阻加熱器。端 部電池加熱器的類型、端部電池加熱器14和16的定位以及在燃料電池 系統(tǒng)10的正常運行過程中對端部加熱器14和16的控制都是所屬領域 技術人員眾所周知的參數(shù)。
燃料電池堆12通過陰極輸入管線20接收來自壓縮機18的陰極輸 入空氣，且通過陰極輸出管線22輸出陰極排出氣體。同樣地，燃料電 池堆12通過陽極輸入管線24接收氫氣體流，且通過陽極輸出管線26 輸出陽極排出氣體。冷卻流體流動通道被設置在燃料電池堆12中的雙極板中。冷卻流體通過泵30被泵送通過冷卻流體流動通道且通過位于 燃料電池堆12外部的冷卻流體回路32。來自燃料電池堆12的處在回路 32中的冷卻流體被傳送至散熱器34，在將所述冷卻流體傳回燃料電池 堆12之前在所述散熱器處降低所述冷卻流體的溫度。散熱器旁通閥36 允許受控量的冷卻流體通過散熱器34或者通過旁通管線38而繞過散熱
的溫度?？刂破?0接收來自系統(tǒng)10的各種輸入信號，這包括來自端部 電池加熱器14和16的溫度測量信號?？刂破?0還對系統(tǒng)10中的多個 元件進行控制，所述多個元件包括壓縮機18、泵30和旁通閥36。
控制器40將具有特定占空度的特定脈沖寬度調制(PWM )信號提供 給端部電池加熱器14和16，所述占空度決定了對于特定系統(tǒng)運行而言 加熱器14和16何時被接通(on )以及加熱器14和16何時被斷開(off )。 可通過燃料電池堆12的功率輸出提供實際上驅動端部電池加熱器14和 16的功率。由于端部電池加熱器14和16以及相關聯(lián)的電路處在某種程 度上嚴苛的環(huán)境中，因此端部電池14和16或其電路中的一些部分可能 失效，從而導致端部電池加熱器14和16保持處于接通狀態(tài)或保持處于 斷開狀態(tài)。
如果端部電池加熱器14和16保持持續(xù)接通狀態(tài)，則該端部電池加 熱器14和16產(chǎn)生了相當大量的熱，這會使燃料電池堆12受損，特別 是使其中的膜受損。在本領域中已經(jīng)提出了提供某種電路的做法，如果 出現(xiàn)失效或檢測到失效，所述電路將會導致端部電池加熱器14和16保 持持續(xù)斷開狀態(tài)。然而，如果在燃料電池堆12中未設置端部電池加熱 器，則這種狀態(tài)會導致出現(xiàn)上述問題。在端部電池加熱器14和16中的 任一者保持處在持續(xù)接通位置的情況下，燃料電池堆12的端部電池變 熱且變干，這使得由于高離子阻力而導致電池性能變差。如果車輛操作 者需要高功率，則該問題更為嚴重，在所述高功率下，燃料電池堆12 產(chǎn)生了高電流密度，這導致端部電池性能明顯惡化。因此，所希望的是， 提供一種算法，所述算法響應于在該接通位置處出現(xiàn)的端部電池加熱器 失效而采取各種補救步驟，從而使得燃料電池系統(tǒng)10可在不會導致燃 料電池堆12受損的情況下繼續(xù)運行，直至能夠對燃料電池系統(tǒng)10進行 維修。
圖2是示出了根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的用來響應于端部電池加熱器的失效而減輕或防止出現(xiàn)燃料電池堆損壞的方法的流程圖50。算法 在框52中確定端部電池加熱器的失效。這可以任何適當方式來實現(xiàn)， 例如測量端部電池的溫度和流動通過冷卻流體回路32的冷卻流體的溫 度以便確定二者之間是否存在明顯差別。此外，可對被施加到端部電池 加熱器14和16上的電流進行測量以便確定端部電池加熱器14和16是 否吸取了比脈沖寬度調制信號的特定占空度所需電流更多的電流。如果 該算法確定端部電池加熱器已經(jīng)失效，則其可導致表示失效的警報被提 供給車輛操作者，例如接通盡快維修指示燈。
如果該算法確定端部電池加熱器14和16的其中之一或者二者已經(jīng) 無法持續(xù)處于接通狀態(tài)，則該算法將會在框54中將冷卻流體泵30的速 度設定為預定最高速度。通過提高通過燃料電池堆12的冷卻流體的流 速，由于有更多冷卻流體進入燃料電池堆12而吸走了過多的熱量，因 此燃料電池堆12內的燃料電池的升溫受到限制。因此，燃料電池堆12 的端部電池將不會在正如由于該位置處的冷卻流體泵30的速度會導致 出現(xiàn)的嚴重程度上產(chǎn)生干透和過熱。
該算法還可在框56中設定來自燃料電池堆12的預定最大輸出功 率。在一個非限制性實施例中，最大燃料電池堆功率被設定為10kW。如 果允許從燃料電池堆12中抽出比該最大功率量更多的功率，則過多電 流從已經(jīng)過熱的端部電池中凈皮抽出，這將會降低端部電池的電壓，這可 能導致它們變得不穩(wěn)定。換句話說，當端部電池的溫度升高時，端部電 池內的相對濕度下降，這導致電池電阻升高。當在該條件下有更多電流 從端部電池中被抽出時，出現(xiàn)了更大的電壓損失，這導致穿過端部電池 的電壓下降。如果這種現(xiàn)象繼續(xù)下去，則穿過端部電池的電壓可能變?yōu)?負值，這可能導致出現(xiàn)端部電池和/或燃料電池堆失效。
進一步地，該算法可在框58中限制燃料電池堆12外面的冷卻流體 的最高溫度而使其低于如果端部電池加熱器14和16適當運行時的正常 的系統(tǒng)最高值。在一個非限制性實施例中，最高可允許冷卻流體溫度可 為約70。C。通過限制冷卻流體的溫度，可降低燃料電池堆12中的端部 電池的溫度從而防止出現(xiàn)化學劣化和性能問題。該算法可通過導致與通 過旁通管線38繞過散熱器34的冷卻流體相比有更多的冷卻流體流動通 過散熱器34而降低冷卻流體的溫度。特別地，控制器40控制旁通閥36 以便減少或消除流動通過旁通管線38的冷卻流體的量，從而使得進一步降低了冷卻流體的溫度。
該算法還可在框60中關閉抗溢流算法，這可以預定方式改變系統(tǒng) 參數(shù)從而對在燃料電池堆12中的雙極板中的多條反應劑氣體流動通道 中的水積聚量進行控制。用于實現(xiàn)該目的的算法是本領域眾所周知的。 由于如果端部電池加熱器14和16處于持續(xù)接通狀態(tài)則端部電池將處于 更高的溫度下，因此與正常端部電池加熱器運^f亍相比，陰極或陽極流動 通道內的水量將有所減少。因此，從抗溢流算法的角度來看，由于燃料 電池系統(tǒng)可能看來處于適當運行狀態(tài)，即端部電池加熱器處于適當運行 狀態(tài)，因此可能希望關閉所述產(chǎn)生作用以便限制流動通道中的水量的算 法。
該算法還可在框62中關閉用于燃料電池堆相對濕度控制的陰極化 學計量比調節(jié)。陰極化學計量比，即陰極輸入空氣流與燃料電池堆輸出 電流之間的關系，具有用于每個燃料電池堆電流密度的特定設定點。通 常在功率瞬態(tài)期間采用陰極化學計量比控制，在該功率瞬態(tài)期間，在陰
極流動通道中進行的相對濕度控制受到燃料電池堆12的水產(chǎn)生速率， 即所述燃料電池堆的電流，和流至燃料電池堆12的陰極輸入空氣流的 影響。對于系統(tǒng)可能希望增加陰極化學計量比以便減輕陰極流動通道水 積聚的那些時期而言，因為端部電池由于失效的端部電池加熱器而已經(jīng) 變熱，而這降低了其積聚水的能力，因此可能希望停止該算法的運行。 通過增加壓縮機18的速度以便增加陰極化學計量比，更多干燥空氣受 力通過反應劑氣體流動通道，這可甚至使已經(jīng)受熱且干燥的電池進一步 干透。
該算法還可在框64中對端部電池加熱器14和16的溫度進行周期 性地檢查。即使在采取了該算法的所有其它先前步驟的情況下，端部電 池加熱器的溫度可能仍然過高以至于無法防止出現(xiàn)性能損失和變得嚴 重的電池劣化。在該情況下，適當?shù)男袨榭砂ǎ幌抻?，進一步降 低冷卻或系統(tǒng)關閉的溫度。因此，該算法可返回框58的步驟以便將冷 卻溫度進一步降低至甚至更低的值。
該算法還可在框66中保持端部電池加熱器的控制模式用于下一次 系統(tǒng)啟動。在該算法已經(jīng)確定在端部電池加熱器保持處于接通位置的情 況下出現(xiàn)了端部電池加熱器失效，且已經(jīng)采取了上述措施中的一個或多 個措施來減輕燃料電池堆劣化，之后，可能希望在車輛已經(jīng)關閉和重新啟動之后保持端部電池加熱器失效控制模式。通過保持端部電池加熱器 失效控制模式用于下一次啟動。該系統(tǒng)將不得不經(jīng)歷再次確定端部電池
加熱器14和/或16已經(jīng)失效的過程。
前面的討論僅披露和描述了本發(fā)明的典型實施例。通過這種討論且 通過附圖和權利要求書，所屬領域技術人員將易于認識到可在不偏離
變型和改變,
權利要求
1、一種用來響應于燃料電池堆中的端部電池加熱器的失效而采取補救行為的方法，所述方法包括確定所述端部電池加熱器已經(jīng)無法處于持續(xù)接通狀態(tài)；將冷卻流體泵設定為驅動冷卻流體通過所述燃料電池堆中的冷卻流體流動通道的預定最高速度；限制所述燃料電池堆的最大輸出功率；限制流動通過所述燃料電池堆的所述冷卻流體的最高溫度；關閉可用來減輕所述燃料電池堆中的反應劑氣體流動通道中出現(xiàn)的水積聚的抗溢流過程；并且關閉由于在所述燃料電池堆中的陰極流動通道中出現(xiàn)的水積聚而用來進行相對濕度控制的陰極化學計量比調節(jié)。
2、 根據(jù)權利要求1所述的方法，其中確定端部電池加熱器失效的 步驟包括測量所述端部電池的溫度和流動通過冷卻流體回路的冷卻流 體的溫度以便確定以上兩種溫度之間是否存在明顯差別。
3、 根據(jù)權利要求1所述的方法，其中確定端部電池加熱器失效的 步驟包括確定所述端部電池加熱器是否吸取了比控制所述端部電池加 熱器的脈沖寬度調制信號的特定占空度所需電流更多的電流。
4、 根據(jù)權利要求1所述的方法，進一步包括從系統(tǒng)關閉到下一次 系統(tǒng)啟動期間保持所述端部電池加熱器失效模式。
5、 根據(jù)權利要求1所述的方法，其中限制所述冷卻流體的所述最 高溫度包括減少或消除繞過位于所述燃料電池堆外部的散熱器的冷卻 流體的量。
6、 根據(jù)權利要求1所述的方法，進一步包括確定所述端部電池的 溫度且其中限制所述冷卻流體的所述最高溫度包括如果確定所述端部 電池的溫度過高則進一 步限制所述冷卻流體的溫度。
7、 根據(jù)權利要求1所述的方法，其中所述加熱器是電阻加熱器。
8、 一種用來響應于燃料電池堆中的端部電池加熱器的失效而采取 ^卜救^f于為的方法，所述方法包才舌確定所述端部電池加熱器已經(jīng)無法處于持續(xù)接通狀態(tài)； 將冷卻流體泵設定為驅動冷卻流體通過所述燃料電池堆中的冷卻流體流動通道的預定最高速度；并且限制所述燃料電池堆的最大輸出功率。
9、 根據(jù)權利要求8所述的方法，進一步包括限制流動通過所述燃 料電池堆的所述冷卻流體的最高溫度。
10、 根據(jù)權利要求9所述的方法，其中限制所述冷卻流體的所述最 高溫度包括減少或消除繞過位于所述燃料電池堆外部的散熱器的冷卻 流體的量。
11、 根據(jù)權利要求8所述的方法，進一步包括關閉可用來減輕所述 燃料電池堆中的反應劑氣體流動通道中出現(xiàn)的水積聚的抗溢流過程。
12、 根據(jù)權利要求8所述的方法，進一步包括關閉由于在所述燃料 電池堆中的陰極流動通道中出現(xiàn)的水積聚而用來進行相對濕度控制的 陰極化學計量比調節(jié)。
13、 根據(jù)權利要求8所述的方法，其中確定端部電池加熱器失效的 步驟包括測量所述端部電池的溫度和流動通過冷卻流體回路的冷卻流 體的溫度以便確定以上兩種溫度之間是否存在明顯差別。
14、 才艮據(jù)權利要求8所述的方法，其中確定端部電池加熱器失效的 步驟包括確定所述端部電池加熱器是否吸取了比控制所述端部電池加 熱器的脈沖寬度調制信號的特定占空度所需電流更多的電流。
15、 根據(jù)權利要求8所述的方法，進一步包括從系統(tǒng)關閉到下一次 系統(tǒng)啟動期間保持所述端部電池加熱器失效模式。
16、 一種用來響應于燃料電池堆中的端部電池加熱器的失效而采取 補救行為的方法，所述方法包括確定所述端部電池加熱器已經(jīng)無法處于持續(xù)接通狀態(tài)； 將冷卻流體泵設定為驅動冷卻流體通過所述燃料電池堆中的冷卻 流體流動通道的預定最高速度；限制所述燃料電池堆的最大輸出功率；并且關閉可用來減輕所述燃料電池堆中的反應劑氣體流動通道中出現(xiàn) 的水積聚的抗溢流過程。
17、 根據(jù)權利要求16所述的方法，進一步包括限制流動通過所述 燃料電池堆的所述冷卻流體的最高溫度。
18、 根據(jù)權利要求17所述的方法，其中限制所述冷卻流體的所述最高溫度包括減少或消除繞過位于所述燃料電池堆外部的散熱器的冷 卻流體的量。
19、 根據(jù)權利要求16所述的方法，進一步包括關閉由于在所述燃 料電池堆中的陰極流動通道中出現(xiàn)的水積聚而用來進行相對濕度控制 的陰極化學計量比調節(jié)。
20、 根據(jù)權利要求16所述的方法，其中確定端部電池加熱器失效 的步驟包括測量所述端部電池的溫度和流動通過冷卻流體回路的冷卻 流體的溫度以便確定以上兩種溫度之間是否存在明顯差別。
21、 根據(jù)權利要求16所述的方法，其中確定端部電池加熱器失效 的步驟包括確定所述端部電池加熱器是否吸取了比控制所述端部電池 加熱器的脈沖寬度調制信號的特定占空度所需電流更多的電流。
22、 根據(jù)權利要求16所述的方法，進一步包括從系統(tǒng)關閉到下一 次系統(tǒng)啟動期間保持所述端部電池加熱器失效模式。
全文摘要
一種用于在燃料電池堆中出現(xiàn)端部電池加熱器失效的情況下提高燃料電池系統(tǒng)可靠性的方法。所述方法包括檢測端部電池加熱器已經(jīng)出現(xiàn)的失效。如果檢測到端部電池加熱器失效，則所述方法執(zhí)行以下步驟中的一個或多個步驟將冷卻流體泵設定為驅動冷卻流體通過所述燃料電池堆中的冷卻流體流動通道的預定速度、限制所述燃料電池堆的輸出功率或所述燃料電池系統(tǒng)的凈功率、限制流出所述燃料電池堆的所述冷卻流體的最高溫度、關閉可用來從所述燃料電池堆中的反應劑氣體流動通道中去除水的燃料電池堆的抗溢流算法、以及關閉陰極化學計量比調節(jié)，所述陰極化學計量比調節(jié)用來響應于在所述燃料電池堆中的陰極流動通道中出現(xiàn)的水積聚而進行相對濕度控制。
文檔編號H01M8/04GK101420041SQ20081017070
公開日2009年4月29日 申請日期2008年10月24日 優(yōu)先權日2007年10月26日
發(fā)明者A·B·奧爾普, D·R·勒布策爾特, J·P·薩爾瓦多, L·德夫里斯, W·S·馬利 申請人:通用汽車環(huán)球科技運作公司