專利名稱：用于燃料電池車輛啟動(dòng)的可變陽(yáng)極流率的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及燃料電池系統(tǒng)。更具體地說(shuō)，本發(fā)明涉及用于在燃料電池系統(tǒng)啟動(dòng)期間促進(jìn)可變陽(yáng)極流率的燃料電池系統(tǒng)和方法。
背景技術(shù)：
已經(jīng)將燃料電池提出作為電動(dòng)車輛和各種其他應(yīng)用的清潔、高效并且環(huán)保的能源。具體地說(shuō)，已經(jīng)將燃料電池當(dāng)作在現(xiàn)代車輛中使用的傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)的潛在替代方案。通常的燃料電池被稱為質(zhì)子交換薄膜(PEM)燃料電池。PEM燃料電池包括三個(gè)主要部件陰極；陽(yáng)極；和電解質(zhì)薄膜。陰極和陽(yáng)極通常包括支撐在碳顆粒上并且與離聚物混合的細(xì)小催化劑，例如鉬。電解質(zhì)薄膜夾在陰極和陽(yáng)極之間以形成薄膜電極組件(MEA)。該 MEA往往設(shè)置在多孔擴(kuò)散介質(zhì)(DM)之間，該介質(zhì)便于將氣態(tài)反應(yīng)物通常為來(lái)自空氣的氫氣和氧氣輸送以便進(jìn)行電化學(xué)燃料電池反應(yīng)。可以將各個(gè)燃料電池串聯(lián)層疊在一起以形成燃料電池堆。燃料電池堆能夠產(chǎn)生出足以給車輛供電的電力。在非工作時(shí)期，大量空氣積累在燃料電池堆的陽(yáng)極中。在燃料電池堆啟動(dòng)時(shí)，給陽(yáng)極提供氫氣。該氫氣接觸空氣并且產(chǎn)生出在陽(yáng)極上通過(guò)的“氫氣-空氣鋒”。已知該氫氣-空氣鋒會(huì)降低燃料電池性能。具體地說(shuō)，氫氣和空氣兩者在陽(yáng)極上的出現(xiàn)導(dǎo)致在碰到氫氣的一部分陽(yáng)極和碰到空氣的一部分陽(yáng)極之間出現(xiàn)局部短路。該局部短路導(dǎo)致電流反向，并且提高了陰極界面點(diǎn)為，從而導(dǎo)致燃料電池碳基底和催化劑支撐物迅速腐蝕。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)碳腐蝕的速度與氫氣-空氣鋒存在的時(shí)間和在氫氣-空氣鋒處的局部電壓的大小成正比。在本領(lǐng)域中已知的是，用氫氣迅速清洗積累有空氣的陽(yáng)極，并且使得氫氣-空氣鋒在陽(yáng)極上存在的時(shí)間最短。清洗通常設(shè)計(jì)成在不會(huì)從燃料電池系統(tǒng)中排出過(guò)多氫氣的情況下用氫氣基本上并且均勻地填充陽(yáng)極入口集管。在申請(qǐng)人的共同未決美國(guó)申請(qǐng) No. 11/762845中披露了一種示例性的清洗方法，該文獻(xiàn)其全文在這里被引用作為參考。通常，清洗陽(yáng)極所需的時(shí)間要提前根據(jù)燃料電池堆的體積和氫氣的流率計(jì)算出。但是，已經(jīng)累積在陽(yáng)極上的空氣量隨著停機(jī)周期和條件的不同而變化。另外，在停機(jī)周圍之后在陽(yáng)極上氣體的壓力、壓力測(cè)量值、流率、流率控制和組分的變化也會(huì)變化很大。因此，從陽(yáng)極中將累積空氣推出所需的時(shí)間以及用于清洗陽(yáng)極的氫氣的體積和流率通常不是最佳的。由于難以預(yù)測(cè)清洗的最佳結(jié)束點(diǎn)，在本領(lǐng)域中所公知的系統(tǒng)已經(jīng)不能在沒(méi)有向大氣排出合適量氫氣的情況下用氫氣清洗陽(yáng)極。另外，已知的系統(tǒng)在燃料電池堆的啟動(dòng)期間也已經(jīng)采用了全短路電路。在全短路系統(tǒng)中，例如采用具有短接電阻的電路來(lái)使得在燃料電池堆的啟動(dòng)期間的局部電壓最小。 由此優(yōu)化了在燃料電池堆啟動(dòng)期間的耐碳腐蝕性。但是，為了讓完全短路系統(tǒng)正確工作，在燃料電池堆中的每個(gè)燃料電池在全短路持續(xù)時(shí)間內(nèi)具有基本上相等的氫氣量。缺乏氫氣的燃料電池在遭受完全短路的情況下會(huì)出現(xiàn)不好的局部“熱斑”?！毙枰軌蛱峁┭杆倏煽繂?dòng)的燃料電池系統(tǒng)和方法。最好開(kāi)發(fā)出能夠在燃料電池系統(tǒng)的啟動(dòng)期間實(shí)現(xiàn)可變陽(yáng)極流率的燃料電池系統(tǒng)和方法，其中該燃料電池系統(tǒng)和方法使得陽(yáng)極填充時(shí)間最短，同時(shí)還使得燃料電池系統(tǒng)由于啟動(dòng)程序而性能下降最小。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明，令人驚訝地發(fā)現(xiàn)了用于在燃料電池系統(tǒng)的啟動(dòng)期間實(shí)現(xiàn)可變陽(yáng)極流率的燃料電池系統(tǒng)和方法，其中該燃料電池系統(tǒng)和方法使得陽(yáng)極填充時(shí)間最短，同時(shí)還使得燃料電池系統(tǒng)由于啟動(dòng)程序而性能下降最小。在一個(gè)實(shí)施方案中，一種燃料電池系統(tǒng)包括具有多個(gè)燃料電池的燃料電池堆，所述燃料電池堆包括陽(yáng)極供給歧管和陽(yáng)極排氣歧管；用于測(cè)量影響所述燃料電池堆的環(huán)境條件和所述燃料電池堆的特性中的至少一個(gè)的傳感器，其中所述傳感器產(chǎn)生出表示該傳感器的測(cè)量值的傳感器信號(hào)；以及處理器，用于接收所述傳感器信號(hào)、分析所述傳感器信號(hào)并且根據(jù)所述經(jīng)過(guò)分析的傳感器信號(hào)控制流進(jìn)所述陽(yáng)極供給歧管的流體的流率。在另一個(gè)實(shí)施方案中，一種燃料電池包括具有多個(gè)燃料電池的燃料電池堆，所述燃料電池堆包括陽(yáng)極供給歧管和陽(yáng)極排氣歧管；傳感器，用于測(cè)量注入到所述陽(yáng)極供給歧管中的流體體積、在至少一個(gè)燃料電池上的電壓、從所述燃料電池堆中提供的電流、停機(jī)時(shí)間和環(huán)境因素中的至少一個(gè)，其中所述傳感器產(chǎn)生出表示該傳感器的測(cè)量值的傳感器信號(hào)；以及處理器，用于接收所述傳感器信號(hào)、分析所述傳感器信號(hào)并且根據(jù)所述經(jīng)過(guò)分析的傳感器信號(hào)控制流進(jìn)所述陽(yáng)極供給歧管的流體的流率。本發(fā)明還提供了用于控制在燃料電池系統(tǒng)中流體的流率的方法。一種方法包括以下步驟提供具有多個(gè)燃料電池的燃料電池堆，所述燃料電池堆包括陽(yáng)極供給歧管和陽(yáng)極排氣歧管；測(cè)量影響所述燃料電池堆的環(huán)境條件和所述燃料電池堆的特性中的至少一個(gè)；以及根據(jù)對(duì)所測(cè)量出的所述環(huán)境條件和所測(cè)量出的所述燃料電池堆的特性中的至少一個(gè)進(jìn)行分析的結(jié)構(gòu)控制流經(jīng)所述陽(yáng)極供給歧管中的流體的流率。本發(fā)明還提供了以下方案 1. 一種燃料電池系統(tǒng)，包括
具有多個(gè)燃料電池的燃料電池堆，所述燃料電池堆包括陽(yáng)極供給歧管和陽(yáng)極排氣歧
管；
傳感器，所述傳感器用于測(cè)量影響所述燃料電池堆的環(huán)境條件和所述燃料電池堆的特性的至少一個(gè)，其中所述傳感器產(chǎn)生出表示所述傳感器的測(cè)量值的傳感器信號(hào)；以及
處理器，所述處理器用于接收所述傳感器信號(hào)、分析所述傳感器信號(hào)并且根據(jù)經(jīng)過(guò)分析的傳感器信號(hào)控制流進(jìn)所述陽(yáng)極供給歧管的流體的流率。2.如方案1所述的燃料電池系統(tǒng)，還包括陽(yáng)極入口管道和陽(yáng)極排氣管道，其中所述陽(yáng)極入口管道在所述陽(yáng)極供給歧管和氫氣源之間提供流體連通，并且所述陽(yáng)極排氣管道與所述陽(yáng)極排氣歧管流體連通。3.如方案1所述的燃料電池系統(tǒng)，還包括與所述陽(yáng)極供給歧管流體連通的噴射泵、與所述陽(yáng)極供給歧管流體連通的噴射器和與所述陽(yáng)極排氣歧管和所述陽(yáng)極供給歧管中的至少一個(gè)流體連通的循環(huán)回路中的至少一個(gè)。4.如方案1所述的燃料電池系統(tǒng)，還包括設(shè)置在所述燃料電池堆的第一端部處的第一閥門，所述第一閥門與陽(yáng)極入口管道間隔開(kāi)并且與所述陽(yáng)極供給歧管流體連通。5.如方案1所述的燃料電池系統(tǒng)，還包括與所述陽(yáng)極供給歧管和所述陽(yáng)極排氣歧管中的至少一個(gè)流體連通的第二閥門，其中所述第二閥門包括用于接收流體流的入口和用于排出流體的出口。6.如方案1所述的燃料電池系統(tǒng)，其中所述傳感器測(cè)量流進(jìn)所述陽(yáng)極供給歧管中的流體的累積量以估計(jì)出氫氣/空氣鋒的位置，并且其中響應(yīng)于所述氫氣/空氣鋒位置的估計(jì)位置改變流進(jìn)所述陽(yáng)極供給歧管中的流體的流率。7.如方案1所述的燃料電池系統(tǒng)，其中所述傳感器測(cè)量在至少一個(gè)燃料電池上的電壓，并且其中響應(yīng)于所測(cè)量出的電壓來(lái)改變流進(jìn)所述陽(yáng)極供給歧管中的流體的流率。8.如方案1所述的燃料電池系統(tǒng)，還包括與所述燃料電池堆電連通的電阻負(fù)載， 其中所述傳感器測(cè)量出流經(jīng)所述電阻負(fù)載的電流，并且響應(yīng)于所測(cè)量出的電流來(lái)改變流進(jìn)所述陽(yáng)極供給歧管中的流體的流率。9.如方案1所述的燃料電池系統(tǒng)，其中所述環(huán)境條件為空氣溫度、停機(jī)時(shí)間段、 流經(jīng)所述燃料電池堆的流體的組分、所述燃料電池堆的使用時(shí)間以及在所述燃料電池系統(tǒng)中的壓力水平中的至少一個(gè)。10. 一種燃料電池，包括
具有多個(gè)燃料電池的燃料電池堆，所述燃料電池堆包括陽(yáng)極供給歧管和陽(yáng)極排氣歧
管；
傳感器，其用于測(cè)量注入到所述陽(yáng)極供給歧管中的流體體積、在至少一個(gè)燃料電池上的電壓、從所述燃料電池堆供給的電流、停機(jī)時(shí)間段和環(huán)境因素中的至少一個(gè)，其中所述傳感器產(chǎn)生出表示所述傳感器的測(cè)量值的傳感器信號(hào)；以及
處理器，其用于接收所述傳感器信號(hào)、分析所述傳感器信號(hào)并且根據(jù)經(jīng)過(guò)分析的傳感器信號(hào)控制流進(jìn)所述陽(yáng)極供給歧管的流體的流率。11.如方案10所述的燃料電池系統(tǒng)，還包括陽(yáng)極入口管道和陽(yáng)極排氣管道，其中所述陽(yáng)極入口管道在所述陽(yáng)極供給歧管和氫氣源之間提供流體連通，并且所述陽(yáng)極排氣管道與所述陽(yáng)極排氣歧管流體連通。12.如方案10所述的燃料電池系統(tǒng)，還包括與所述陽(yáng)極供給歧管流體連通的噴射泵、與所述陽(yáng)極供給歧管流體連通的噴射器和與所述陽(yáng)極排氣歧管和所述陽(yáng)極供給歧管中的至少一個(gè)流體連通的循環(huán)回路中的至少一個(gè)。13.如方案10所述的燃料電池系統(tǒng)，其中所述傳感器測(cè)量流進(jìn)所述陽(yáng)極供給歧管中的流體的累積量以估計(jì)出氫氣/空氣鋒的位置，并且其中響應(yīng)于所述氫氣/空氣鋒位置的估計(jì)位置改變流進(jìn)所述陽(yáng)極供給歧管中的流體的流率。14.如方案10所述的燃料電池系統(tǒng)，其中響應(yīng)于測(cè)量出的電壓峰值來(lái)改變流進(jìn)所述陽(yáng)極供給歧管中的流體的流率。15.如方案10所述的燃料電池系統(tǒng)，還包括與所述燃料電池堆電連通的電阻負(fù)載，其中所述傳感器測(cè)量出流經(jīng)所述電阻負(fù)載的電流，并且響應(yīng)于所測(cè)量出的電流峰值來(lái)改變流進(jìn)所述陽(yáng)極供給歧管中的流體的流率。16.如方案10所述的燃料電池系統(tǒng)，其中所述環(huán)境條件為空氣溫度、流經(jīng)所述燃料電池堆的流體的組分、所述燃料電池堆的使用時(shí)間以及在所述燃料電池系統(tǒng)中的各個(gè)位置處的壓力水平中的至少一個(gè)。17. 一種用于控制在燃料電池系統(tǒng)中的流體的流率的方法，所述方法包括以下步驟
提供具有多個(gè)燃料電池的燃料電池堆，所述燃料電池堆包括陽(yáng)極供給歧管和陽(yáng)極排氣
歧管；
測(cè)量影響所述燃料電池堆的環(huán)境條件和所述燃料電池堆的特性的至少一個(gè)；以及根據(jù)對(duì)所測(cè)量出的所述環(huán)境條件和所測(cè)量出的所述燃料電池堆的特性中的至少一個(gè)進(jìn)行的分析來(lái)控制流入所述陽(yáng)極供給歧管中的流體的流率。18.如方案17所述的方法，其中所測(cè)量出的所述燃料電池堆的特性為注入到所述陽(yáng)極供給歧管中的流體量、在至少一個(gè)燃料電池上的電壓、從所述燃料電池堆供給的電流和停機(jī)時(shí)間段中的至少一個(gè)。19.如方案17所述的方法，其中所測(cè)量出的環(huán)境條件為空氣溫度、停機(jī)時(shí)間段、 流經(jīng)所述燃料電池堆的流體的組分、所述燃料電池堆的使用時(shí)間以及在所述燃料電池系統(tǒng)中的各個(gè)位置處的壓力水平中的至少一個(gè)。20.如方案17所述的方法，其中所述燃料電池堆還包括與所述陽(yáng)極供給歧管流體連通的噴射泵、與所述陽(yáng)極供給歧管流體連通的噴射器和與所述陽(yáng)極排氣歧管和所述陽(yáng)極供給歧管中的至少一個(gè)流體連通的循環(huán)回路中的至少一個(gè)。


本領(lǐng)域普通技術(shù)人員從下面優(yōu)選實(shí)施方案的詳細(xì)說(shuō)明中并且結(jié)合附圖將很容易了解本發(fā)明的上面以及其它優(yōu)點(diǎn)，其中
圖1為本領(lǐng)域所公知的PEM燃料電池堆的示意性分解透視圖； 圖2為根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方案的PEM燃料電池堆的示意性剖視圖； 圖3為圖2的燃料電池系統(tǒng)的示意性剖視圖，顯示出電池組清洗過(guò)程；并且圖4為根據(jù)本發(fā)明另一個(gè)實(shí)施方案的燃料電池系統(tǒng)的示意性剖視圖。
具體實(shí)施例方式下面詳細(xì)說(shuō)明和附圖描述并且例舉說(shuō)明了本發(fā)明的各個(gè)實(shí)施方案。該說(shuō)明書和附圖用來(lái)使得本領(lǐng)域普通技術(shù)人員能夠制造和使用本發(fā)明，并且不是用來(lái)以任意方式對(duì)本發(fā)明的范圍進(jìn)行限制。在所披露的方法中，所給出的各個(gè)步驟實(shí)際上是示例性的，因此這些步驟的順序不是必要的或嚴(yán)格的。圖1顯示出根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的PEM燃料電池堆10。為了簡(jiǎn)化起見(jiàn)，在圖1中只是例舉說(shuō)明并且描述了兩芯電池組(即一塊雙極板)，要理解的是，通常的燃料電池堆將具有更多的電池和雙極板。該燃料電池堆10包括由導(dǎo)電雙極板16分開(kāi)的一對(duì)薄膜電極組件 (MEAs) 12、14。這些MEAsl2、14和雙極板16層疊在一對(duì)夾板18、20和一對(duì)單極板22J4之間。夾板18、20通過(guò)墊圈或介電涂層(未示出)與端板22J4絕緣。單極端板22、24中的每一塊的工作面26、28以及雙極板16的工作面30、32包括多條用來(lái)方便燃料例如氫氣和氧化劑例如氧氣從中流過(guò)的溝槽或通道34、36、38、40。絕緣墊圈42、44、46、48在燃料電池堆10的各個(gè)部件之間形成密封和絕緣。不透氣擴(kuò)散介質(zhì)50、5254、56例如碳或石墨擴(kuò)散紙與MEAsl2、14的陽(yáng)極面和陰極面中的基本上鄰接。端板22、對(duì)分別與擴(kuò)散介質(zhì)50、56相鄰設(shè)置。雙極板16設(shè)置成與位于MEA 12的陽(yáng)極面上的擴(kuò)散介質(zhì)52相鄰并且與位于MEA14的陰極面上的擴(kuò)散介質(zhì)M相鄰。如所示一樣，MEAs 12、14、雙極板16、端板22J4和墊圈42、44、46、48中的每一個(gè)包括陰極供氣孔58、陰極排氣孔60、冷卻劑供應(yīng)孔62、冷卻劑排出孔64、陽(yáng)極供氣孔66和陽(yáng)極排氣孔68。通過(guò)形成在MEAs 12、14中的相鄰陰極供氣孔58、雙極板16、端板22、24以及墊圈42、44、46、48的對(duì)準(zhǔn)排列來(lái)形成陰極供氣裝置。通過(guò)形成在MEAs 12、14中的相鄰冷卻劑供應(yīng)孔62、雙極板16、端板22、24以及墊圈42、44、46、48的對(duì)準(zhǔn)排列形成冷卻劑供應(yīng)歧管。通過(guò)形成在MEAs 12、14中的相鄰冷卻劑排氣孔64、雙極板16、端板22、24以及墊圈42、44、46、48的對(duì)準(zhǔn)排列來(lái)形成冷卻器排氣歧管。通過(guò)形成在MEAs中的相鄰陽(yáng)極供應(yīng)孔66、雙極板16、端板22J4和墊圈42、44、46、48的對(duì)準(zhǔn)排列來(lái)形成陽(yáng)極供給歧管。通過(guò)形成在MEAs 12、14中的相鄰陽(yáng)極排氣孔68、雙極板16、端板22,24和墊圈42、44、46、48的排列對(duì)準(zhǔn)來(lái)形成陽(yáng)極排氣歧管。借助陽(yáng)極入口管道70通過(guò)陽(yáng)極供應(yīng)歧管給燃料電池堆10提供氫氣。借助陰極入口管道72通過(guò)燃料電池堆10的陰極供給歧管給燃料電池堆10提供氧化氣體。陽(yáng)極出口管道74和陰極出口管道76分別設(shè)置用于陽(yáng)極排氣歧管和陰極排氣歧管。冷卻劑入口管道 78和冷卻劑出口管道80與冷卻劑供應(yīng)歧管和冷卻劑排出歧管流體連通，以便提供從中流過(guò)的液體冷卻劑流。要理解的是，在圖1中的各種入口 70、72、78和出口 74、76、80的結(jié)構(gòu)是用來(lái)例舉說(shuō)明，并且可以根據(jù)要求選擇其它結(jié)構(gòu)。圖2顯示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方案的燃料電池系統(tǒng)100的陽(yáng)極側(cè)。該燃料電池系統(tǒng) 100包括具有多個(gè)燃料電池112的燃料電池堆110。每個(gè)燃料電池112具有陽(yáng)極(未示出) 和陰極(未示出)，并且在它們之間設(shè)置有電解質(zhì)薄膜(未示出)。該燃料電池堆110還包括第一端部114和第二端部116。如在這里所述一樣，第一端部114被稱為“干端”，并且第二端部116被稱為“濕端”。在所示的實(shí)施方案中，燃料電池系統(tǒng)100包括陽(yáng)極供給歧管118、陽(yáng)極排氣歧管 120、多個(gè)傳感器122、124、126、電阻裝置1 和處理器130。要理解的是，在燃料電池系統(tǒng) 100中可以包括其它部件和系統(tǒng)，例如循環(huán)子系統(tǒng)。陽(yáng)極供給歧管118與燃料電池112的陽(yáng)極連通，并且在氫氣源132和燃料電池112 之間形成流體連通。要理解的是，可以采用其它流體源，例如氮?dú)夂涂諝?。如所示一樣，?yáng)極供給歧管118從氫氣源132通過(guò)陽(yáng)極入口管道134接收氣態(tài)氫氣流。陽(yáng)極入口管道134 在氫氣源132和陽(yáng)極供給歧管118之間形成有空間。要理解的是，陽(yáng)極入口管道134可以具有任意所期望的橫截面面積，并且還可以包括例如腔室。如例舉的一樣，該燃料電池系統(tǒng) 100包括與陽(yáng)極供給歧管118流體連通的第一閥門136，也被稱為清洗閥。第一閥門136與陽(yáng)極入口管道134間隔開(kāi)設(shè)置在燃料電池堆110的第一端部114處。第一閥門136包括用于接收流體流的入口 138和用于在第一閥門136處于打開(kāi)位置中時(shí)排出流體的出口 140。燃料電池系統(tǒng)100的陽(yáng)極排氣歧管120在多個(gè)燃料電池112的陽(yáng)極和排氣系統(tǒng) 142之間形成流體連通。陽(yáng)極排氣歧管120接收流經(jīng)燃料電池112的陽(yáng)極的流體。流經(jīng)陽(yáng)極的流體可以為其它氫、空氣或水。第二閥門144與陽(yáng)極排氣歧管120流體連通，并且設(shè)置在燃料電池堆110的第二端部116處。第二閥門144有利于從陽(yáng)極排氣歧管120進(jìn)行流體清洗或沖洗。要理解的是，如果需要，第二閥門144可以設(shè)置在燃料電池堆110的第一端部 114處。還要理解的是，第二閥門144可以讓流體沖洗例如陰極入口(未示出)。具體地說(shuō)，第二閥門144包括用于接收流體流的入口 146和用于在第二閥門144處于打開(kāi)位置中時(shí)排出流體的出口 148。傳感器122、124、1沈提供了測(cè)量燃料電池系統(tǒng)100的特性和周圍環(huán)境的手段。具體地說(shuō)，傳感器122、124、126中的至少一個(gè)用來(lái)測(cè)量在燃料電池112中的至少一個(gè)上的電壓。傳感器122、124、126中的另一個(gè)用來(lái)測(cè)量流進(jìn)陽(yáng)極供給歧管118中的流體的特性，例如流體的累積體積。傳感器122、124、126中的另一個(gè)用來(lái)測(cè)量影響燃料電池堆110的環(huán)境特性。作為非限定實(shí)施例，環(huán)境特性為溫度、時(shí)間、流經(jīng)燃料電池堆110的陽(yáng)極側(cè)的流體的組分、燃料電池堆110的使用時(shí)間和在燃料電池系統(tǒng)100的各個(gè)位置處的壓力水平中的一個(gè)。要理解的是，可以測(cè)量其它特性和系統(tǒng)參數(shù)，例如流經(jīng)電阻(歐姆)裝置128的電流。 還要理解的是，傳感器122、124、1沈中的每一個(gè)用來(lái)向處理器130發(fā)送傳感器信號(hào)，其中所述傳感器信號(hào)表示傳感器122、124、126中的相應(yīng)一個(gè)的測(cè)量數(shù)據(jù)。電阻裝置128與燃料電池堆110電連通。電阻裝置1 可以調(diào)節(jié)以在燃料電池堆 110上施加所期望的電阻負(fù)載。但是，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員要理解的是，必要時(shí)可以采用其它合適的電阻負(fù)載。在所示的實(shí)施方案中，電阻裝置1 用來(lái)在啟動(dòng)起見(jiàn)在燃料電池堆110 上施加電阻負(fù)載，由此限制了電池電位并且減輕了由碳腐蝕引起的燃料電池性能下降。作為非限定實(shí)施例，電阻裝置1 與燃料電池堆110的多個(gè)端子(未示出)連接，該電阻裝置 128用來(lái)在必要時(shí)使得燃料電池堆110短路。所示的處理器130與傳感器122、124、126、氫氣源132、第一閥門136和第二閥門 144連通。因此，處理器130用來(lái)接收從傳感器122、124、126中發(fā)出的每個(gè)傳感器信號(hào)，分析這些傳感器信號(hào)，并且根據(jù)對(duì)這些傳感器信號(hào)分析的結(jié)果控制流進(jìn)陽(yáng)極供給歧管118中的流體的流率。要理解的是，處理器130可以通過(guò)控制閥門136、144的打開(kāi)/關(guān)閉位置來(lái)控制流經(jīng)陽(yáng)極供給歧管118中的流體的流率。還要理解的是，處理器130可以直接通過(guò)例如調(diào)節(jié)噴射器來(lái)控制來(lái)自氫氣源132的流體的流率。如所示一樣，處理器130根據(jù)指令集150分析和評(píng)估這些傳感器信號(hào)?？梢郧度朐谌我庥?jì)算機(jī)可讀介質(zhì)內(nèi)的指令集150包括用于將處理器130配置成執(zhí)行多種任務(wù)的算法、公式和處理器可執(zhí)行指令。要理解的是，處理器130可以執(zhí)行多種功能，包括控制傳感器122、124、126的功能。在某些實(shí)施方案中，處理器130可以包括存儲(chǔ)裝置152。存儲(chǔ)裝置152可以為單個(gè)存儲(chǔ)裝置或可以為多個(gè)存儲(chǔ)裝置。另外，存儲(chǔ)裝置152可以為固態(tài)存儲(chǔ)系統(tǒng)、磁性存儲(chǔ)系統(tǒng)、光學(xué)存儲(chǔ)系統(tǒng)或任意其它合適的存儲(chǔ)系統(tǒng)或裝置。要理解的是，存儲(chǔ)裝置152用來(lái)存儲(chǔ)指令集150。需要時(shí)，可以將其它數(shù)據(jù)和信息存儲(chǔ)在存儲(chǔ)裝置152中。處理器130還可以包括可編程部件154。要理解的是，可編程部件巧4可以與燃料電池系統(tǒng)100的任意其它部件例如傳感器、122、1M、U6通信。在某些實(shí)施方案中，可編程部件巧4用來(lái)管理和控制處理器130的處理功能。具體地說(shuō)，可編程部件巧4用來(lái)控制對(duì)傳感器信號(hào)的分析。要理解的是，可編程部件1 可以用來(lái)將數(shù)據(jù)和信息存儲(chǔ)在存儲(chǔ)裝置 152上，并且從存儲(chǔ)裝置152中取出數(shù)據(jù)和信息。在使用中，將氣態(tài)氫提供給陽(yáng)極供給歧管118，由此使得氫氣流經(jīng)每個(gè)燃料電池 112的陽(yáng)極部分的活性區(qū)域，如圖3所示一樣。在氫氣流經(jīng)燃料電池112的活性區(qū)域時(shí)，通過(guò)第二閥門從燃料電池112和陽(yáng)極排氣歧管120清除空氣(被稱為陽(yáng)極填充或電池組沖洗過(guò)程)。在某些實(shí)施方案中，電池組沖洗過(guò)程可以在集管清洗過(guò)程之后執(zhí)行。在集管清洗過(guò)程期間，第一閥門136和第二閥門114關(guān)閉，并且使得氣態(tài)氫從氫氣源132流出并且進(jìn)入到陽(yáng)極入口管道134中，并且沒(méi)有任何明顯的氣態(tài)氫流入到陽(yáng)極供氣管道118中。因?yàn)殚y門136、144關(guān)閉，所以進(jìn)入到陽(yáng)極入口管道134中的氫氣流使得陽(yáng)極供給歧管118的內(nèi)容物通常為空氣流入到燃料電池堆110的活性區(qū)域中。在壓力建立步驟期間，通過(guò)繼續(xù)將氫氣注入到陽(yáng)極入口管道134中來(lái)提高在燃料電池堆110內(nèi)的流體壓力。一旦在燃料電池堆 110中達(dá)到所期望的壓力，則將第一閥門136打開(kāi)，并且氣態(tài)氫流入穿過(guò)陽(yáng)極供給歧管118。 由于在燃料電池堆110中的燃料電池112的活性區(qū)域受到壓力，所以使得氣態(tài)氫流經(jīng)陽(yáng)極供給歧管118并且流入第一閥門136，但是不能流入到燃料電池112的活性區(qū)域。一旦氣態(tài)氫已經(jīng)基本上填滿陽(yáng)極供給歧管118，則將第一閥門136關(guān)閉。接著，將第二閥門144打開(kāi)，并且將氣態(tài)氫連續(xù)提供給陽(yáng)極供給歧管118，由此使得氫氣流經(jīng)每個(gè)燃料電池112的陽(yáng)極部分的活性區(qū)域。要理解的是，可以使得流經(jīng)燃料電池112的活性區(qū)域的氫氣的流率最大化以便使得氫氣-空氣鋒存在于燃料電池堆110的活性區(qū)域中的時(shí)間最短并且使得啟動(dòng)時(shí)間最短。 具體地說(shuō)，在使得氫氣流率最大并且使得在燃料電池112上的電壓最小的情況下實(shí)現(xiàn)了令人滿意的結(jié)果。作為非限定實(shí)施例，為了對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)啟動(dòng)過(guò)程而言實(shí)現(xiàn)在燃料電池112上的較低初始電壓，根據(jù)下面參數(shù)中的至少一個(gè)來(lái)安排將氫注入到陽(yáng)極供給歧管118中注入到陽(yáng)極子系統(tǒng)(類似于氫氣/空氣鋒的位置)的氫氣的總量；測(cè)量出的電池電壓；經(jīng)過(guò)的時(shí)間和環(huán)境因素。具體地說(shuō)，傳感器122、124、126中的每一個(gè)測(cè)量在燃料電池系統(tǒng)100中的各個(gè)位置處的特性和水平。傳感器122、124、1沈中的每一個(gè)將代表測(cè)量出的數(shù)據(jù)和信息的傳感器信號(hào)發(fā)送給處理器130。一旦接收到，處理器130分析由每個(gè)傳感器信號(hào)表示的數(shù)據(jù)和信息，并且控制流入到陽(yáng)極入口管道134中的氫氣的流率。要理解的是，處理器130可以通過(guò)調(diào)節(jié)噴射器或供應(yīng)控制裝置來(lái)直接調(diào)節(jié)氫氣的流率。還要理解的是，處理器130可以通過(guò)調(diào)節(jié)閥門136、144的打開(kāi)/關(guān)閉位置來(lái)控制氫氣的流率。作為非限定實(shí)施例，在氫氣流入到陽(yáng)極入口管道134中時(shí)，通過(guò)傳感器122、124、 126中的至少一個(gè)測(cè)量出注入的氫氣的總量，并且處理器130根據(jù)所測(cè)量出的量估計(jì)出氫氣/空氣鋒的位置。因此，在氫氣/空氣鋒到達(dá)預(yù)定位置(燃料電池112的端部)時(shí)改變
注入流率。作為另一個(gè)實(shí)施例，在氫氣流進(jìn)燃料電池112的活性區(qū)域中時(shí)，電池電壓的范圍 (在最小電池電壓和最大電池電壓之間)增大，直到燃料電池112具有過(guò)多的氫氣。因此， 傳感器122、124、126中的至少一個(gè)測(cè)量出在至少一個(gè)燃料電池112上的電壓，并且處理器 130根據(jù)所測(cè)量出的電壓氫氣注入流率。在某些實(shí)施方案中，氫氣注入流率保持恒定，直到檢測(cè)到電壓峰值。之后，改變流率。作為再一個(gè)實(shí)施例，在氫氣流進(jìn)燃料電池112的活性區(qū)域中時(shí)，從燃料電池堆110 提供給電阻負(fù)載的電流為陽(yáng)極和陰極電極的氧化狀態(tài)的函數(shù)。因?yàn)殛?yáng)極正在填充氫氣，所以陽(yáng)極電流運(yùn)送能力在整個(gè)陽(yáng)極填充期間一直增加。由于提供給陰極的新鮮空氣缺乏，所以陰極產(chǎn)生電流的能力在整個(gè)啟動(dòng)期間一直減小。在針對(duì)集中電池電流進(jìn)行校正時(shí)，在啟動(dòng)期間測(cè)量出的電池組電流的峰值將標(biāo)志著陽(yáng)極燃料不足結(jié)束和陰極燃料不足開(kāi)始。氫氣注入流率保持恒定，直到檢測(cè)到電流峰值，那時(shí)改變注入流率。除了如上所述一樣，圖4顯示出與圖2的燃料電池系統(tǒng)100類似的根據(jù)本發(fā)明另一個(gè)實(shí)施方案的燃料電池系統(tǒng)100’的陽(yáng)極側(cè)。從圖2的說(shuō)明中復(fù)述的結(jié)構(gòu)包括相同附圖標(biāo)記。在圖2中所示的結(jié)構(gòu)變型包括相同的附圖標(biāo)記和單引號(hào)(’)。如圖4所示，燃料電池系統(tǒng)100還包括燃料噴射器156、噴射泵158和循環(huán)回路160。要理解的是，必要時(shí)，在燃料電池系統(tǒng)100’中可以包括附加的部件和系統(tǒng)。燃料噴射器156和噴射泵158設(shè)置在氫氣源132和陽(yáng)極入口管道134’之間。噴射器156和噴射泵158對(duì)流入到陽(yáng)極入口管道134’中的氫氣流率進(jìn)行控制。要理解的是， 其它部件可以與氫氣源132和陽(yáng)極入口管道134’連通，例如壓力調(diào)節(jié)器和再循環(huán)泵。必要時(shí)，其它部件或系統(tǒng)可以與陽(yáng)極入口管道134’連通。燃料電池系統(tǒng)100’的陽(yáng)極排氣歧管120在燃料電池112的陽(yáng)極與排氣系統(tǒng)142和循環(huán)回路160中的至少一個(gè)之間形成流體連通。陽(yáng)極排氣歧管120接收流經(jīng)燃料電池112 的陽(yáng)極的流體。作為非限定實(shí)施例，流經(jīng)陽(yáng)極的其它流體可以為氣態(tài)氫氣、空氣或水。需要時(shí)可以采用其它流體。在所示的實(shí)施方案中，燃料電池系統(tǒng)100’包括與陽(yáng)極排氣歧管120 流體連通的陽(yáng)極排氣管道162。陽(yáng)極排氣管道162限定了在陽(yáng)極排氣歧管120與排氣系統(tǒng) 142和循環(huán)回路160中的至少一個(gè)之間的空間。要理解的是，陽(yáng)極排氣歧管道162可以具有任意所期望的橫截面面積，并且還可以包括例如腔室。循環(huán)回路160在陽(yáng)極排氣歧管120和陽(yáng)極供給歧管118之間形成流體連通。在某些實(shí)施方案中，循環(huán)回路160包括陽(yáng)極入口管道134’中的至少一部分、陽(yáng)極排氣管道162 中的至少一部分、循環(huán)管道164和分水器166。但是，要理解的是，必要時(shí)還可以包括其它部件。循環(huán)管道164限定了在陽(yáng)極入口管道134’和陽(yáng)極排氣管道162之間的空間。要理解的是，循環(huán)管道164可以具有任意所期望的橫截面面積，并且例如還可以包括腔室。在所示的實(shí)施方案中，循環(huán)管道164與分水器166和噴射泵158流體連通。要理解的是，循環(huán)管道164可以與陽(yáng)極入口管道134’、陽(yáng)極供給歧管118、陽(yáng)極排氣歧管120和陽(yáng)極排氣管道 162中的至少一個(gè)直接連通。還要理解的是，必要時(shí)，可以在循環(huán)管道164與陽(yáng)極入口管道 134’、陽(yáng)極供氣管道118、陽(yáng)極排氣歧管120和陽(yáng)極排氣管道162中的至少一個(gè)之間設(shè)置其它部件或系統(tǒng)。分水器166設(shè)置在陽(yáng)極排氣管道162和循環(huán)管道164之間，并且用來(lái)從陽(yáng)極排氣管道162中接收到的流體中去除多余的潤(rùn)濕或產(chǎn)物水。因此，分水器166與第二閥門144 流體連通。第二閥門144將收集在分水器144中的產(chǎn)物水排出或放出。如所示的一樣，第二閥門144還與排氣系統(tǒng)142流體連通，并且用來(lái)將產(chǎn)物水排出到排氣系統(tǒng)142中。但是， 要理解的是，必要時(shí)第二閥門144可以將產(chǎn)物水排出到任意系統(tǒng)或裝置中。還要理解的是， 必要時(shí)可以包括其它閥門和控制裝置。在使用中，將氣態(tài)氫氣提供給陽(yáng)極供給歧管118，由此使得氫氣流過(guò)每個(gè)燃料電池 112的陽(yáng)極部分的活性區(qū)域。在氫氣流過(guò)燃料電池112的活性區(qū)域時(shí)，通過(guò)第二閥門144從燃料電池112和陽(yáng)極排氣歧管120將空氣清除(被稱為陽(yáng)極填充或電池組重新過(guò)程)。要理解的是，可以使得流過(guò)燃料電池的活性區(qū)域的氫氣流率最大，以便使得氫氣-空氣鋒在燃料電池堆110的活性區(qū)域中存在的時(shí)間最短。具體地說(shuō)，在使得氫氣流率最大并且讓在燃料電池112上的電壓保持盡可能低的情況下實(shí)現(xiàn)了令人滿意的結(jié)果。作為非限定實(shí)施例，為了針對(duì)標(biāo)準(zhǔn)啟動(dòng)過(guò)程而言實(shí)現(xiàn)在燃料電池112上的低初始電壓，根據(jù)下面參數(shù)中的至少一個(gè)來(lái)安排向陽(yáng)極供給歧管118中注入氫氣注入到陽(yáng)極子系統(tǒng)(類似于氫氣/空氣鋒的位置)的氫氣的總量；測(cè)量出的電池電壓；經(jīng)過(guò)的時(shí)間和環(huán)境因素。具體地說(shuō)，傳感器122、124、126中的每一個(gè)測(cè)量在燃料電池系統(tǒng)100中的各個(gè)位置處的特性和水平。傳感器122、124、1沈中的每一個(gè)將代表測(cè)量出的數(shù)據(jù)和信息的傳感器信號(hào)發(fā)送給處理器130。一旦接收到，處理器130分析由每個(gè)傳感器信號(hào)表示的數(shù)據(jù)和信息，并且控制流入到陽(yáng)極入口管道134中的氫氣的流率。要理解的是，處理器130可以通過(guò)調(diào)節(jié)噴射器或供應(yīng)控制裝置來(lái)直接調(diào)節(jié)氫氣的流率。還要理解的是，處理器130可以通過(guò)調(diào)節(jié)閥門136、144的打開(kāi)/關(guān)閉位置來(lái)控制氫氣的流率。因此，該燃料電池系統(tǒng)100、100’以及在燃料電池系統(tǒng)的啟動(dòng)過(guò)程期間用于可變陽(yáng)極流率的方法提供了調(diào)節(jié)和改變?nèi)剂想姵貑?dòng)以使得燃料電池系統(tǒng)100、100’的效率、持久性和可靠性從使用開(kāi)始到使用結(jié)束期間保持最大的基礎(chǔ)。具體地說(shuō)，該燃料電池系統(tǒng)100、 100’和方法使得陽(yáng)極填充時(shí)間最短，同時(shí)還使得燃料電池系統(tǒng)由于啟動(dòng)過(guò)程而性能降低最 從上面的說(shuō)明書中，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員很容易確定本發(fā)明的基本特征，并且在不脫離其精神和范圍的情況下可以對(duì)本發(fā)明作出各種變化和變型以使之適應(yīng)各種用途和情況。
權(quán)利要求
1.一種燃料電池系統(tǒng)，包括具有多個(gè)燃料電池的燃料電池堆，所述燃料電池堆包括陽(yáng)極供給歧管和陽(yáng)極排氣歧管；傳感器，所述傳感器用于測(cè)量影響所述燃料電池堆的環(huán)境條件和所述燃料電池堆的特性的至少一個(gè)，其中所述傳感器產(chǎn)生出表示所述傳感器的測(cè)量值的傳感器信號(hào)；以及處理器，所述處理器用于接收所述傳感器信號(hào)、分析所述傳感器信號(hào)并且根據(jù)經(jīng)過(guò)分析的傳感器信號(hào)控制流進(jìn)所述陽(yáng)極供給歧管的流體的流率。
2.如權(quán)利要求1所述的燃料電池系統(tǒng)，還包括陽(yáng)極入口管道和陽(yáng)極排氣管道，其中所述陽(yáng)極入口管道在所述陽(yáng)極供給歧管和氫氣源之間提供流體連通，并且所述陽(yáng)極排氣管道與所述陽(yáng)極排氣歧管流體連通。
3.如權(quán)利要求1所述的燃料電池系統(tǒng)，還包括與所述陽(yáng)極供給歧管流體連通的噴射泵、與所述陽(yáng)極供給歧管流體連通的噴射器和與所述陽(yáng)極排氣歧管和所述陽(yáng)極供給歧管中的至少一個(gè)流體連通的循環(huán)回路中的至少一個(gè)。
4.如權(quán)利要求1所述的燃料電池系統(tǒng)，還包括設(shè)置在所述燃料電池堆的第一端部處的第一閥門，所述第一閥門與陽(yáng)極入口管道間隔開(kāi)并且與所述陽(yáng)極供給歧管流體連通。
5.如權(quán)利要求1所述的燃料電池系統(tǒng)，還包括與所述陽(yáng)極供給歧管和所述陽(yáng)極排氣歧管中的至少一個(gè)流體連通的第二閥門，其中所述第二閥門包括用于接收流體流的入口和用于排出流體的出口。
6.如權(quán)利要求1所述的燃料電池系統(tǒng)，其中所述傳感器測(cè)量流進(jìn)所述陽(yáng)極供給歧管中的流體的累積量以估計(jì)出氫氣/空氣鋒的位置，并且其中響應(yīng)于所述氫氣/空氣鋒位置的估計(jì)位置改變流進(jìn)所述陽(yáng)極供給歧管中的流體的流率。
7.如權(quán)利要求1所述的燃料電池系統(tǒng)，其中所述傳感器測(cè)量在至少一個(gè)燃料電池上的電壓，并且其中響應(yīng)于所測(cè)量出的電壓來(lái)改變流進(jìn)所述陽(yáng)極供給歧管中的流體的流率。
8.如權(quán)利要求1所述的燃料電池系統(tǒng)，還包括與所述燃料電池堆電連通的電阻負(fù)載， 其中所述傳感器測(cè)量出流經(jīng)所述電阻負(fù)載的電流，并且響應(yīng)于所測(cè)量出的電流來(lái)改變流進(jìn)所述陽(yáng)極供給歧管中的流體的流率。
9.一種燃料電池，包括具有多個(gè)燃料電池的燃料電池堆，所述燃料電池堆包括陽(yáng)極供給歧管和陽(yáng)極排氣歧管；傳感器，其用于測(cè)量注入到所述陽(yáng)極供給歧管中的流體體積、在至少一個(gè)燃料電池上的電壓、從所述燃料電池堆供給的電流、停機(jī)時(shí)間段和環(huán)境因素中的至少一個(gè)，其中所述傳感器產(chǎn)生出表示所述傳感器的測(cè)量值的傳感器信號(hào)；以及處理器，其用于接收所述傳感器信號(hào)、分析所述傳感器信號(hào)并且根據(jù)經(jīng)過(guò)分析的傳感器信號(hào)控制流進(jìn)所述陽(yáng)極供給歧管的流體的流率。
10.一種用于控制在燃料電池系統(tǒng)中的流體的流率的方法，所述方法包括以下步驟 提供具有多個(gè)燃料電池的燃料電池堆，所述燃料電池堆包括陽(yáng)極供給歧管和陽(yáng)極排氣歧管；測(cè)量影響所述燃料電池堆的環(huán)境條件和所述燃料電池堆的特性的至少一個(gè)；以及根據(jù)對(duì)所測(cè)量出的所述環(huán)境條件和所測(cè)量出的所述燃料電池堆的特性中的至少一個(gè)進(jìn)行的分析來(lái)控制流入所述陽(yáng)極供給歧管中的流體的流率。
全文摘要
本發(fā)明涉及用于燃料電池車輛啟動(dòng)的可變陽(yáng)極流率。具體地，一種燃料電池系統(tǒng)，其具有具有多個(gè)燃料電池的燃料電池堆，所述燃料電池堆包括陽(yáng)極供給歧管和陽(yáng)極排氣歧管；用于測(cè)量影響所述燃料電池堆的環(huán)境條件和所述燃料電池堆的特性中的至少一個(gè)的傳感器，其中所述傳感器產(chǎn)生出表示該傳感器的測(cè)量值的傳感器信號(hào)；以及處理器，用于接收所述傳感器信號(hào)、分析所述傳感器信號(hào)并且根據(jù)對(duì)傳感器信號(hào)的分析來(lái)控制流進(jìn)所述陽(yáng)極供給歧管的流體的流率。
文檔編號(hào)H01M8/24GK102195065SQ20111006442
公開(kāi)日2011年9月21日 申請(qǐng)日期2011年3月17日 優(yōu)先權(quán)日2010年3月17日
發(fā)明者I. 哈里斯 D., N. 羅夫里亞 J., 弗羅斯特 P. 申請(qǐng)人:通用汽車環(huán)球科技運(yùn)作有限責(zé)任公司