本發(fā)明涉及燃料電池堆，并且更具體地但并非未唯一地涉及其中電解質(zhì)采用聚合物膜的形式的燃料電池堆(即，pefc(聚合物電解質(zhì)燃料電池))。

更具體而言，本發(fā)明涉及這種燃料電池堆在極冷溫度條件下的使用，并且涉及用于在這些條件下啟動(dòng)這種電池堆的方法。

背景技術(shù)：

已知的是，燃料電池堆使得可以借助電化學(xué)氧化還原反應(yīng)直接由燃料氣體和氧化劑氣體產(chǎn)生電力，而不需要中間轉(zhuǎn)換為機(jī)械能。該技術(shù)對(duì)于汽車應(yīng)用顯得尤其有前景。燃料電池堆包括基礎(chǔ)電池堆，每個(gè)基礎(chǔ)電池包括正極、負(fù)極以及充當(dāng)電解質(zhì)的離子交換膜。在燃料電池堆工作期間，同時(shí)發(fā)生兩種電化學(xué)反應(yīng)：正極處的燃料的氧化反應(yīng)和負(fù)極處的氧化劑的還原反應(yīng)。這兩種反應(yīng)產(chǎn)生正離子和負(fù)離子，正離子和負(fù)離子在膜處結(jié)合在一起并且以電勢(shì)差的形式產(chǎn)生電力。在氫氧燃料電池堆的情況下，是h⁺離子和o^-離子結(jié)合在一起。

膜電極組件或電池串聯(lián)地堆放并且由雙極板隔開，所述雙極板將電子從一個(gè)電池的正極引導(dǎo)至相鄰電池的負(fù)極。為此，在雙極板的與膜電極組件接觸的兩個(gè)面上均設(shè)置有通道。每個(gè)通道具有供燃料或氧化劑從其進(jìn)入的入口和供多余氣體和由電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的水分從其排出的出口。

燃料電池堆具有多種潛在應(yīng)用，尤其是移動(dòng)應(yīng)用。在這種情況下，這些燃料電池堆在極端溫度條件下可被請(qǐng)求工作。因此，當(dāng)外部溫度下降至大幅低于零時(shí)，例如約為-20℃，燃料電池堆的內(nèi)部溫度也會(huì)下降，直至偶然在大氣壓力下達(dá)到0℃以下的溫度。針對(duì)燃料電池堆的冷啟動(dòng)程序的目的在于：在燃料電池堆開始排出由電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的水之前，使燃料電池堆的內(nèi)部溫度提升至水的冰點(diǎn)以上。

因此有利的是，實(shí)施這樣一種用于控制燃料電池堆方法，其即使在低溫下使用的情況下也能確保電池堆的完整性。還已知這樣的控制方法：在啟動(dòng)之前的關(guān)閉之后，執(zhí)行烘干操作以去除燃料電池堆的回路中剩余的水。這可在燃料電池堆停止的階段期間完全地避免回路凍結(jié)。

然而，在溫度大幅低于零的情況下，該烘干操作不足以防止損壞電池堆。具體地，如果電池堆在除了預(yù)先被烘干而沒有其它幫助的情況下啟動(dòng)，則單獨(dú)來自燃料電池堆的熱損失可被用于提升其自身的溫度。然而，燃料電池堆及其冷卻回路的熱慣性太高以至于無法僅經(jīng)由熱損失的使用來克服。

為了克服這個(gè)問題，一種已知的解決方法在于延遲冷卻液循環(huán)的啟動(dòng)，以必須僅加熱電池堆中所包含的水量而不會(huì)加熱燃料電池堆的初級(jí)冷卻回路的外部部分中所包含的水量，所述初級(jí)冷卻回路尤其包括管道、冷卻泵以及恒溫閥。

但是，這種解決方法存在多種缺陷。首先是冷卻液循環(huán)的啟動(dòng)的延遲會(huì)導(dǎo)致未被冷卻的燃料電池堆的局部過熱。其次是在這種解決方法中無法確定燃料電池堆的內(nèi)部溫度。具體地，溫度傳感器通常被布置在燃料電池堆的冷卻回路中。然而，如果冷卻回路未工作，則不能獲得電池堆的內(nèi)部溫度的測(cè)量。

此外，已經(jīng)注意到，在現(xiàn)有技術(shù)中已知的啟動(dòng)程序中，非常冷的冷卻液的注入會(huì)導(dǎo)致穿過燃料電池堆的電池的端子的電壓大幅下降。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

因此，本發(fā)明旨在提出這樣一種方法，其在保持電池堆的完整性并且克服現(xiàn)有技術(shù)的缺陷的同時(shí)允許燃料電池堆的冷啟動(dòng)。

因此，本發(fā)明涉及一種用于控制離子交換膜燃料電池堆的方法，該電池堆安裝在還包括液體冷卻回路和用于使冷卻液循環(huán)的泵的系統(tǒng)中，該方法包括啟動(dòng)燃料電池堆的階段，該啟動(dòng)階段包括以下步驟：

·確定燃料電池堆的內(nèi)部溫度；

·測(cè)量液體冷卻回路內(nèi)的溫度；

·向燃料電池堆施加啟動(dòng)電流，并且同時(shí)：

○當(dāng)電池堆的內(nèi)部溫度高于第一預(yù)定閾值并且進(jìn)入電池堆之前的冷卻液溫度低于第二預(yù)定閾值時(shí)，冷卻泵被命令以脈沖模式工作，而當(dāng)冷卻回路內(nèi)的溫度上升至第二預(yù)定閾值以上時(shí)，冷卻泵被命令以連續(xù)模式工作。

電池堆的內(nèi)部溫度是電池堆核心溫度的估計(jì)值。第一預(yù)定閾值選擇為使得冷卻液不必太快流動(dòng)，太快流動(dòng)將導(dǎo)致熱沖擊并且由此導(dǎo)致仍然較冷的電池堆中所產(chǎn)生的水凍結(jié)的風(fēng)險(xiǎn)。第二閾值選擇為避免未被冷卻的燃料電池堆的任何局部過熱，然而卻不會(huì)引起穿過電池堆的電池的端子的電壓下降。

具體地，冷卻泵以脈沖模式激活使得能夠?qū)⑷匀焕涞乃饾u地輸注至電池堆中，并且由此保持穿過燃料電池堆的電池的端子的可接受電壓。

在另一實(shí)施方案中，作為脈沖模式控制的替代方案，使用具有極低流速能力的變速冷卻泵。然而，在極低溫度下冷卻液的粘度極高，并且難以利用針對(duì)較低粘度的液體和高得多的流速設(shè)計(jì)的常規(guī)冷卻泵來實(shí)現(xiàn)低流速。脈沖模式控制使得能夠在不必使用復(fù)雜度較高的泵的情況下實(shí)現(xiàn)平均流速的控制的必要精度水平。脈沖模式控制還使得能夠更好地確保液體恰當(dāng)?shù)亓鲃?dòng)。

根據(jù)各實(shí)施方案，在大氣壓力下將第一閾值設(shè)定為20℃，并且在大氣壓力下將第二閾值設(shè)定為5℃。

在一有利實(shí)施方案中，在考慮構(gòu)成電池堆的材料的熱容量和質(zhì)量的同時(shí)確定電池堆的內(nèi)部溫度，并且通過電池堆來使熱能消散。因此，例如使用以下類型的公式：

其中：

teta_fc：pemfc的估計(jì)溫度[℃]

nbcell：形成電池堆的電池的數(shù)量[16]

ufc：電池堆上的總電壓[v]

ifc：電池堆電流[a]

m1：pemfc內(nèi)的冷卻液的質(zhì)量[kg]

c1：冷卻液的熱容量[j/kgk]

m2：雙極板的質(zhì)量[kg]

c2：雙極板的熱容量[j/kgk]。

在一特定實(shí)施方案中，所施加的啟動(dòng)電流為從0.015a/cm²/s開始的斜坡，其中最大值為0.5a/cm²。對(duì)于200cm²的電池堆，這對(duì)應(yīng)于100a的電流。然而，在某些情況下，這種斜坡的應(yīng)用會(huì)導(dǎo)致穿過燃料電池堆的電池的端子的電壓的大幅下降。為了避免這種衰減及其對(duì)電池堆的工作造成的影響，在一特定實(shí)施方案中，調(diào)節(jié)所施加的電流，以確保穿過每個(gè)電池的端子的電壓高于或等于0.2伏。這利用將最大電流值轉(zhuǎn)換為用于控制由燃料電池堆傳遞的電力的單位的調(diào)節(jié)器(例如，dc-dc轉(zhuǎn)化器)來實(shí)現(xiàn)。

在又一實(shí)施方案中，用于控制燃料電池堆的方法包括利用大氣預(yù)先烘干燃料電池堆的階段，該烘干階段在大氣溫度下降至0℃以下之前發(fā)生。在一實(shí)施方案中，將該溫度設(shè)定為5℃。

將泵控制為使得激活時(shí)間恒定。將該激活時(shí)間設(shè)定為在所有情況下均確保冷卻液設(shè)定為流動(dòng)所需的最小值。這取決于泵的動(dòng)力學(xué)特性和電池堆的回路中的熱量損失。例如，將工作的持續(xù)時(shí)間設(shè)定為0.6秒。兩個(gè)脈沖之間的泵的停頓時(shí)間可變。對(duì)于電池堆的溫度模型，期望返回比前一脈沖高1℃的溫度值，以引起燃料電池堆的核的溫度逐漸提高。此外，兩個(gè)脈沖之間的時(shí)間被限制為在2秒的最短時(shí)間與12秒的最長(zhǎng)時(shí)間之間。在另一實(shí)施方案中，泵停頓的持續(xù)時(shí)間確定為確保在兩個(gè)脈沖之間，穿過電池堆的電池的端子的平均電壓返回至高于預(yù)定值(例如，0.6v)的值。具體地，每個(gè)脈沖造成少量仍然非常冷的冷卻液的導(dǎo)入，從而導(dǎo)致電池的電壓下降。

在一對(duì)應(yīng)于200cm²的16個(gè)電池的燃料電池堆的實(shí)施方案中，利用以下參數(shù)來執(zhí)行基于空氣的這種烘干：

-利用由壓縮機(jī)吹送的大氣來執(zhí)行烘干。

-在正極，以每分鐘15公升的流速吹送空氣。

-在負(fù)極，以每分鐘85公升的流速吹送空氣。

-當(dāng)環(huán)境溫度下降至5℃以下時(shí)執(zhí)行烘干；當(dāng)在1khz下測(cè)得的電池堆的阻抗達(dá)到40毫歐姆的值時(shí)，停止烘干。

-此外，優(yōu)選在電池堆工作一段時(shí)間之后恰好在電池堆關(guān)閉之前,以高于或等于2.8的負(fù)極化學(xué)計(jì)量并且優(yōu)選在不浸濕的情況下執(zhí)行烘干。

-在這些條件下，以小于90秒的時(shí)長(zhǎng)執(zhí)行烘干。在其它條件下，例如如果化學(xué)計(jì)量預(yù)先為2，則烘干時(shí)間變?yōu)榈扔诩s7分鐘。

附圖說明

在通過以下附圖示出的優(yōu)選但非限制性的實(shí)施方案的如下描述中，本發(fā)明的其它目標(biāo)和優(yōu)點(diǎn)將清楚地顯現(xiàn)，在所述附圖中：

·圖1示出了在冷卻泵在冷啟動(dòng)階段以連續(xù)模式激活的情況下，穿過燃料電池堆的電池的端子的電壓。

·圖2示出了在冷卻泵在一延遲之后啟動(dòng)并且在冷啟動(dòng)階段以脈沖模式激活的情況下，燃料電池堆內(nèi)的多個(gè)溫度的變化。

·圖3示出了在冷卻泵在一延遲之后啟動(dòng)并且在冷啟動(dòng)階段以脈沖模式激活的情況下，穿過燃料電池堆的電池的端子的電壓。

具體實(shí)施方式

圖1示出了根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的方法，在控制-15℃的冷啟動(dòng)期間(即，通過以連續(xù)模式操作冷卻泵)，穿過燃料電池堆的電池的端子的電壓變化。

觀察到穿過電池組的端子的電壓逐漸下降，隨后是在13秒開始第一電池(曲線圖上的最低曲線)的端子之間的電壓大幅衰減，緊接著是穿過第二電池的端子的電壓。

電壓的這種快速下降揭示了與燃料電池堆中所產(chǎn)生的水的凍結(jié)有關(guān)的堵塞。從而，負(fù)面地影響電池堆的工作。

圖2和圖3示出了實(shí)施根據(jù)本發(fā)明的控制方法的燃料電池堆中的參量的變化。因此，這兩個(gè)曲線圖示出了電池堆首先在冷卻液未循環(huán)的情況下工作，然后冷卻泵以脈沖模式工作期間冷啟動(dòng)的變化過程。

在圖2中，曲線c1示出了燃料電池堆的估計(jì)溫度，曲線c2示出了冷卻泵的控制設(shè)定點(diǎn)，而曲線c3示出了電池堆的進(jìn)口處的溫度。在大約65秒之后，由曲線c1示出的溫度到達(dá)20℃的值。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案中，該值對(duì)應(yīng)于第一預(yù)定閾值。如曲線c2所示，然后以脈沖模式控制冷卻泵或水泵。

在135秒的工作之后，電池堆的入口處的冷卻液的溫度(曲線c3所示)變?yōu)楦哂?℃。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案中，該值對(duì)應(yīng)于第二預(yù)定閾值。然后以連續(xù)模式操作冷卻泵。從這時(shí)開始，冷卻液連續(xù)地循環(huán)，致使燃料電池堆的入口與出口之間的冷卻液溫度差相當(dāng)明顯地快速減小，然后消失。

同時(shí)，圖3示出了當(dāng)實(shí)施根據(jù)本發(fā)明的方法時(shí)燃料電池堆的電池的單獨(dú)的電壓的相應(yīng)變化。在該附圖中可見，與圖1中不同，燃料電池堆的第一電池保持可接受的電壓電平，或者具有在冷卻泵被激活時(shí)快速恢復(fù)的電壓電平。該冷卻泵以脈沖模式被激活?？梢钥闯隼渌拿看巫⑷雽?dǎo)致電壓集合的下降，如圖3中的紋波所示。冷卻泵脈沖的頻率并且由此冷卻液注入的頻率確定為使得在另一注入之前穿過電池的端子的電壓能夠有時(shí)間返回至可接受的電平。在該示例中，每0.6秒發(fā)生一次注入。

這種控制方法使得能夠在對(duì)冷卻回路中所包含的液體進(jìn)行加熱的同時(shí)，使得貫穿整個(gè)啟動(dòng)階段穿過燃料電池堆的電池的端子的電壓保持在可接受的電壓。