本發(fā)明涉及包括燃料電池組件和冷卻劑存儲箱的燃料電池系統(tǒng)的操作的方法。本發(fā)明還涉及包括所述燃料電池組件和冷卻劑存儲箱的燃料電池系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

常規(guī)電化學(xué)燃料電池將燃料和氧化劑轉(zhuǎn)換成電能和反應(yīng)產(chǎn)物。常見類型的電化學(xué)燃料電池包括膜電極組件(mea)，膜電極組件(mea)包括在陽極和陰極之間的聚合物離子(質(zhì)子)轉(zhuǎn)移膜和氣體擴(kuò)散結(jié)構(gòu)。燃料(諸如氫)和氧化劑(諸如來自空氣的氧氣)經(jīng)過mea的相應(yīng)側(cè)，以產(chǎn)生電能和水作為反應(yīng)產(chǎn)物?？梢孕纬啥?堆疊，該堆包括被布置成具有單獨的陽極和陰極流體流動路徑的若干此類燃料電池。這樣的堆通常用塊的形式，塊包括通過端板在堆的任一端保持在一起的很多單個燃料電池板。

重要的是，為了有效的操作，聚合物離子轉(zhuǎn)移膜保持水合(hydrated)。還重要的是，控制堆的溫度。因此，冷卻劑可以被供應(yīng)到堆，用于冷卻和/或水合(hydration)。于是，例如，燃料電池系統(tǒng)可以包括用于存儲用于燃料電池堆的水合和/或冷卻的水的儲水箱/冷卻劑存儲箱。如果在零下條件下存儲或操作燃料電池系統(tǒng)，則燃料電池堆和儲水箱中的水可以結(jié)冰。結(jié)冰的水可以致使堵塞，該堵塞阻礙將冷卻劑或結(jié)合水供應(yīng)到燃料電池堆。當(dāng)燃料電池系統(tǒng)關(guān)閉，并且因而儲水箱中的水不再由通過堆的其通路加熱，并且可完全結(jié)冰時，這是一個特別的問題。在這樣的事件中，充分的液態(tài)水可能不可用于水合和/或冷卻。這可防止燃料電池組件重新啟動或以全功率操作，直到已經(jīng)解凍結(jié)冰的水。已知在燃料電池系統(tǒng)中提供加熱器，加熱器在存儲的能量(諸如來自蓄電池的)下操作，并且維持燃料電池系統(tǒng)處于零度以上的溫度以防止發(fā)生結(jié)冰。然而，蓄電池功率是有限的，并且如果蓄電池故障或放電，則燃料電池系統(tǒng)可經(jīng)歷結(jié)冰。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

我們公開了一種操作包括燃料電池組件的燃料電池系統(tǒng)的方法，燃料電池組件被配置成從燃料流和氧化劑流產(chǎn)生電功率，方法包括第一階段和隨后的第二階段，第一階段包括：

用氧化劑流與燃料流的第一化學(xué)計量比操作燃料電池組件，以產(chǎn)生電功率；

將所述產(chǎn)生的電功率提供到加熱器元件，用于加熱用于供應(yīng)到所述燃料電池組件的冷卻劑；

第二階段包括：

將在第一階段中加熱的冷卻劑遞送到燃料電池組件；

用氧化劑流與燃料流的第二化學(xué)計量比操作燃料電池組件，以產(chǎn)生電功率，第二化學(xué)計量比低于第一比。

這是在結(jié)冰條件下用于啟動蒸發(fā)冷卻的燃料電池組件(諸如燃料電池堆)的有利的方法。系統(tǒng)通常包括包含液體冷卻劑的冷卻劑存儲模塊，液體冷卻劑可以在寒冷條件下結(jié)冰?？梢赃x取第一化學(xué)計量比以充分冷卻燃料電池組件，從而可以產(chǎn)生用于組件自身的充足的功率來為加熱器供電，以解凍結(jié)冰的冷卻劑。然后，可以遞送液體冷卻劑，并且減少化學(xué)計量比以提高效率，并且繼續(xù)冷卻劑的解凍。第一階段是有利的，因為第一階段可以在將冷卻劑釋放到燃料電池組件中之前，為燃料電池系統(tǒng)的操作以及預(yù)定量冷卻劑的解凍提供條件。當(dāng)解凍更多的冷卻劑且另外加熱解凍的冷卻劑時將解凍的冷卻劑維持在冷卻劑存儲模塊中可以是有利的，因為解凍的冷卻劑不太可能在通向組件的管道中重新結(jié)冰，并且可以提供預(yù)定量的冷卻劑以可用于第二階段的可靠的開始。

可選地，第二階段包括將所述產(chǎn)生的電功率提供到加熱器元件或不同的加熱器元件用于加熱用于供應(yīng)到所述燃料電池組件的冷卻劑的步驟。該不同的加熱器元件可以被提供用于在第二階段的激活。這可以是有利的，因為第二加熱器元件可以位于冷卻劑存儲模塊中的不同地方，用于解凍結(jié)冰的冷卻劑的不同區(qū)域。供選擇地，可以在第二階段中激活相同的加熱器元件或激活多個加熱器組件的組合。加熱器元件或另外的加熱器元件可以是將來自燃料電池系統(tǒng)的較熱的部分(諸如氧化劑流壓縮機(jī))的熱量移動到較冷的水存儲模塊的歐姆加熱器、燃?xì)饧訜崞?、熱?dǎo)管或熱交換器。

可選地，方法包括僅在所述第二階段中將所述產(chǎn)生的功率的至少一部分提供到在燃料電池系統(tǒng)外部的負(fù)載。因此，在第一階段中，超過操作燃料電池系統(tǒng)(即，寄生負(fù)載)所需要的所有可用的功率可以被提供到加熱器元件用于解凍冷卻劑。供選擇地，預(yù)定最小份額或最小絕對量的產(chǎn)生的功率可以被提供到加熱器元件。因此，在至少第一階段且可能第二階段中將冷卻劑的解凍置于優(yōu)先位置。如果加熱器元件在第一階段中不需要所有可用的功率，則將了解，超過的功率可用于其它用途，諸如為可以是車輛或與車輛相關(guān)聯(lián)的輔助系統(tǒng)的負(fù)載供電。

可選地，第一階段包括將燃料流供應(yīng)壓力設(shè)置為第一壓力，并且第二階段包括將燃料流供應(yīng)壓力設(shè)置為高于第一壓力的第二壓力。

可選地，在所述第一階段中，操作燃料電池系統(tǒng)的步驟包括從關(guān)閉狀態(tài)操作燃料電池系統(tǒng)，使得所述第一階段包括燃料電池系統(tǒng)的起動階段。該方法特別適合于在關(guān)閉時經(jīng)歷結(jié)冰條件之后燃料電池系統(tǒng)的起動。

可選地，方法包括以下步驟：確定燃料電池系統(tǒng)的溫度，并且如果所確定的溫度低于預(yù)定溫度，則實行第一階段和第二階段，并且如果溫度大于預(yù)定溫度，則操作燃料電池系統(tǒng)，而不將功率提供到加熱器元件。如果所確定的溫度大于預(yù)定溫度，則該方法可以被配置成利用第二方面的注水控制器?？梢酝ㄟ^測量(諸如在冷卻劑存儲模塊中的)冷卻劑的溫度，或圍繞燃料電池系統(tǒng)的周邊環(huán)境的溫度，確定燃料電池系統(tǒng)的溫度。

可選地，當(dāng)滿足一個或更多個標(biāo)準(zhǔn)時，第一階段結(jié)束，并且第二階段開始，標(biāo)準(zhǔn)包括i)預(yù)定量的液體冷卻劑可用于遞送到燃料電池組件，ii)預(yù)定量的電能已經(jīng)被供應(yīng)到加熱器元件，iii)加熱器元件已經(jīng)在高于設(shè)置點電壓操作了預(yù)定時間，iv)通過燃料電池組件的氧化劑流的溫度(諸如陰極排氣溫度)高于預(yù)定氧化劑溫度，v)燃料電池組件(諸如外殼或其它外部或內(nèi)部部分)的溫度高于預(yù)定組件溫度。這些標(biāo)準(zhǔn)(以及潛在地其它標(biāo)準(zhǔn))指示燃料電池性能以及在第二階段中用于供給到燃料電池組件的冷卻劑的可能的可用性。

可選地，在第一階段中，操作燃料電池組件的步驟包括以預(yù)定電流輸出操作所述組件。預(yù)定電流輸出可以包括低于燃料電池組件的最大輸出的電流輸出。

可選地，在第一階段中，操作燃料電池組件的步驟包括逐漸地增加燃料電池組件的電流輸出以滿足預(yù)定電流輸出。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)電流輸出的斜升在確保將適量的功率提供到加熱器元件，同時維持橫跨燃料電池組件的電氣平衡上是有效的。

可選地，基于燃料電池組件性能的測量值，修改預(yù)定電流輸出，和/或主動/積極(actively)控制電流輸出的逐漸增加?？蛇x地，燃料電池組件包括多個燃料電池，并且燃料電池組件性能的測量值包括形成燃料電池組件的多個燃料電池中的燃料電池或燃料電池組的最小電壓。因此，監(jiān)測響應(yīng)于所需要的電流輸出的燃料電池組件性能的監(jiān)測，以便在沒有提供有冷卻劑的情況下，燃料電池組件不會過載。

可選地，在第一階段期間，在將預(yù)定量能量供應(yīng)到加熱器元件之后，并且在通過燃料電池組件的氧化劑流的溫度達(dá)到預(yù)定氧化劑溫度之前，調(diào)整氧化劑流速，以實現(xiàn)氧化劑流與燃料流的第一化學(xué)計量比的最大值和預(yù)定最小氧化劑流速。

可選地，在所述第二階段期間，將冷卻劑遞送到燃料電池組件包括在第一時間段內(nèi)以第一速率遞送所述冷卻劑，并且隨后以低于第一速率的第二速率遞送所述冷卻劑。初始高流速是有利的，因為初始高流速快速填裝冷卻劑管路、水合并冷卻燃料電池組件。將了解，可以使用第三流速或另外的流速。

可選地，在第二階段中，在將冷卻劑遞送到燃料電池組件之后，采用第二化學(xué)計量比。因此，維持使用氧化劑流的冷卻，直到液體冷卻劑被提供到燃料電池組件。

可選地，在第一階段期間，燃料電池組件未提供有冷卻劑。因此，第一階段集中于在冷卻劑存儲模塊中融化一定量的冷卻劑用于在第二階段中進(jìn)行遞送。

可選地，在第一階段中，由燃料電池組件產(chǎn)生的功率被提供到氧化劑壓縮機(jī)，用于將氧化劑驅(qū)動到燃料電池組件中。因此，可以通過壓縮機(jī)的控制來控制化學(xué)計量比，壓縮機(jī)被配置成驅(qū)動空氣通過燃料電池組件的陰極流道。

可選地，在第二階段中，操作燃料電池組件的步驟包括以與第一階段期間的功率輸出相比更大的功率輸出操作燃料電池組件。既然液體冷卻劑是可用的(盡管比正常更少的量，例如，由于不是所有的冷卻劑被解凍)，就可以以更高的功率輸出操作燃料電池組件。這可幫助解凍剩余的結(jié)冰的冷卻劑。

可選地，第二階段包括以下步驟：將所述產(chǎn)生的電功率提供到不同的加熱器元件，用于加熱用于供應(yīng)到所述燃料電池組件的冷卻劑，直到該不同的加熱器元件已經(jīng)被供應(yīng)有預(yù)定量的功率和/或該不同的加熱器元件已經(jīng)在高于設(shè)置點電壓操作了預(yù)定量時間。

可選地，燃料電池組件包括多個燃料電池，并且在第二階段期間，方法包括以下步驟：監(jiān)測在組件中的燃料電池的電壓，以確定由燃料電池中的任一個燃料電池或任一組燃料電池輸出的最小電壓，從而確定所確定的最小電壓是否低于預(yù)定最小電池電壓，并且如果是這樣，則增加到燃料電池組件的冷卻劑的供應(yīng)速率。方法可以包括以下步驟：確定到燃料電池組件的冷卻劑的當(dāng)前流速是否處于預(yù)定最大值和/或是否存在冷卻劑存儲模塊中可用的冷卻劑，并且如果任一個或兩者為真，則減少燃料電池組件上的負(fù)載。

我們公開了一種包括燃料電池組件的燃料電池系統(tǒng)，燃料電池組件被配置成從燃料流和氧化劑流產(chǎn)生電功率，并且接收用于冷卻燃料電池組件的液體冷卻劑，燃料電池系統(tǒng)被配置成根據(jù)以上方法操作。

可選地，燃料電池系統(tǒng)包括冷卻劑存儲模塊，并且加熱器元件位于冷卻劑存儲模塊中?？蛇x地，燃料電池系統(tǒng)包括冷卻劑存儲模塊，冷卻劑存儲模塊包括加熱器元件以及與加熱器元件間隔開的不同的加熱器元件，加熱器元件和不同的加熱器元件都位于冷卻劑存儲模塊中。冷卻劑存儲模塊可包括多個隔室，其中，加熱器元件和另外的加熱器元件在不同隔室中。這限制任一個加熱器元件需要融化的結(jié)冰的冷卻劑的體積。

將了解，燃料電池系統(tǒng)可以包括被配置成實行第一方面的方法步驟的控制器。

根據(jù)另外的方面，我們提供了一種包括指令的計算機(jī)程序產(chǎn)品，該指令用于在具有處理器和存儲器的計算設(shè)備上執(zhí)行以實行以上方法。

根據(jù)本公開的第一方面，我們提供了一種用于燃料電池系統(tǒng)的冷卻劑注入控制器，冷卻劑注入控制器被配置成響應(yīng)于燃料電池組件性能的測量值，積極/主動(actively)控制到燃料電池組件的冷卻劑流，用于冷卻和/或水合燃料電池組件。

供應(yīng)到燃料電池組件的冷卻劑的主動控制是有利的，因為可以控制冷卻劑流，以確保燃料電池組件的可靠性和有效性。

可選地，燃料電池組件性能的測量值包括燃料電池組件的電輸出的測量值。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)燃料電池組件或組件中的單個燃料電池或幾組燃料電池的電輸出為關(guān)于冷卻劑供應(yīng)的燃料電池組件性能的良好指標(biāo)。

可選地，燃料電池組件性能的測量值包括通過燃料電池組件的反應(yīng)物流的溫度的測量值。特別地，反應(yīng)物流可以包括排氣流，諸如陰極排氣流。

可選地，冷卻劑注入控制器被配置成：如果燃料電池組件性能的測量值低于預(yù)定閾值，則提供第一操作模式，并且如果燃料電池組件性能的測量值高于預(yù)定閾值，則提供第二操作模式，第一模式和第二模式具有不同的冷卻劑注入剖面。這是有利的，因為本發(fā)明提供了冷卻劑注入的準(zhǔn)確控制，并且可以確保不會提供過多的冷卻劑。然而，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)很難測量低流速，諸如當(dāng)燃料電池組件具有低輸出時需要的。因而，不同的冷卻劑注入剖面可以被用于維持精確程度。

可選地，在第一操作模式中，冷卻劑注入剖面提供在至少兩個不同注入流速之間交替的冷卻劑的注入。因此，可以使用高流速和低流速將冷卻劑脈沖進(jìn)入燃料電池組件中。

可選地，在第二操作模式下，控制器被配置成提供冷卻劑注入剖面，其中響應(yīng)于燃料電池組件性能的測量值，逐漸控制冷卻劑流速。該控制可以與燃料電池組件性能的測量值成比例，或逐步控制該控制?？蛇x地，在第二操作模式下，控制器被配置成響應(yīng)于燃料電池組件性能的測量值，提供閉環(huán)反饋，以控制冷卻劑流速。

可選地，在第二操作模式下，控制器被配置成基于燃料電池組件的過熱和/或燃料電池組件的低性能的測量值，逐漸控制冷卻劑流速。

可選地，第二操作模式，控制器被配置成響應(yīng)于冷卻劑流速達(dá)到最大閾值速率，減少燃料電池組件的電功率輸出。因此，如果冷卻劑流不能將燃料電池性能維持在限制內(nèi)，則可以減少燃料電池組件的功率輸出。

根據(jù)本發(fā)明的另外的方面，我們提供了一種包括當(dāng)在處理器上執(zhí)行時提供注水控制器的動作的執(zhí)行的指令的計算機(jī)程序或計算機(jī)程序產(chǎn)品。

附圖說明

現(xiàn)在僅以示例的方式，參考附圖詳細(xì)描述本發(fā)明的實施例，在附圖中：

圖1示出示例燃料電池系統(tǒng)的示意圖；

圖2示出例示燃料電池系統(tǒng)的操作的方法的第一流程圖；

圖3示出例示燃料電池系統(tǒng)的操作的方法的第二流程圖；

圖4示出例示燃料電池系統(tǒng)的操作的方法的第三流程圖；以及

圖5示出例示燃料電池系統(tǒng)的操作的方法的第四流程圖。

具體實施方式

附圖示出燃料電池系統(tǒng)1，燃料電池系統(tǒng)1包括燃料電池組件2和冷卻劑存儲模塊3。在該示例中，燃料電池組件2包括燃料電池堆，燃料電池堆包括堆疊在一起的多個質(zhì)子交換膜燃料電池。燃料電池組件2包括蒸發(fā)冷卻的燃料電池組件。在該示例中，冷卻劑包括水，但是將了解，可以使用其它冷卻劑，諸如乙二醇或水溶液。在該示例中，冷卻劑或水存儲模塊3存儲用于燃料電池組件2的水合和/或蒸發(fā)冷卻的純水。

在結(jié)冰條件的事件中，模塊3中的水可以結(jié)冰。當(dāng)系統(tǒng)1斷電時，系統(tǒng)1可不包括或可不使用輔助加熱器來維持零上的溫度。在重新啟動系統(tǒng)1時，可需要水用于冷卻燃料電池堆2和/或形成堆的燃料電池的燃料電池膜的水合。因此，如果在箱1中的水結(jié)冰，則必須快速解凍水，使得水可用于堆3。所公開的系統(tǒng)不需要任何外部低壓電源或高壓電源，而是操作以使得液體冷卻劑在系統(tǒng)自己產(chǎn)生的功率下可用。這是有利的，因為由組件/堆自身而不是通過消耗蓄電池產(chǎn)生融化冰所需要的功率。已知蓄電池可在寒冷的溫度下經(jīng)歷低性能，并且因而使用燃料電池組件功率是有益的。

燃料電池組件2被配置成通過陽極入口4接收燃料(諸如氫)流，并且通過陰極入口5接收氧化劑(諸如空氣)流。陽極排氣6被提供用于允許燃料流通過。陰極排氣7被提供用于允許氧化劑流通過。將了解，排氣流還攜帶反應(yīng)副產(chǎn)物和可能已經(jīng)通過組件2的任何冷卻劑/水合液體。陰極排氣7可以包括冷卻劑分離器8，以將冷卻劑(水)與陰極排氣流分離。分離的水被存儲在冷卻劑存儲模塊3中。將了解，雖然該示例示出已經(jīng)通過堆的水冷卻劑的再循環(huán)，但是本發(fā)明適用于不使冷卻劑再循環(huán)或以不同的方式使冷卻劑再循環(huán)的系統(tǒng)。

冷卻劑存儲模塊3通過管道連接到燃料電池組件，但是將了解，模塊3可以與堆中的燃料電池集成。冷卻劑存儲模塊3連接到陰極入口5，以允許將冷卻劑引入到陰極流中，用于燃料電池組件2的蒸發(fā)冷卻?？梢酝ㄟ^單獨的管道將冷卻劑引入到堆中。

冷卻劑注入控制器10被提供用于控制從冷卻劑存儲模塊到燃料電池組件2的冷卻劑流。冷卻劑注入控制器10可以將控制信號提供到泵11，以控制將水遞送到燃料電池組件2?？刂破?0還可以控制位于冷卻劑存儲模塊3中的加熱器元件12、加熱器元件13?？刂破?0還可以以一個或更多個傳感器14的方式接收燃料電池組件2的性能的一個或更多個測量值。

加熱器元件12、加熱器元件13包括第一加熱器元件12和與第一加熱器元件12間隔開的第二加熱器元件13。冷卻劑存儲模塊3可以包括多個冷卻劑存儲箱，多個冷卻劑存儲箱被配置成將冷卻劑供應(yīng)到燃料電池組件，并且每個冷卻劑存儲箱具有一個或更多個加熱器元件。一個或更多個加熱器元件可以是電力供電的或燃燒能量供電的。另外它們可以包括散熱元件，散熱元件可以包括將來自燃料電池系統(tǒng)的一個部分的熱量移動到燃料電池系統(tǒng)的另一個部分的熱導(dǎo)管或熱交換器。例如，驅(qū)動氧化劑通過燃料電池組件的壓縮機(jī)可以在燃料電池組件的起動之后，相對快速地變暖，并且因而使用熱交換器以及工作流體和/或熱導(dǎo)管將熱量從壓縮機(jī)移動到冷卻劑存儲模塊可以是有利的。

冷卻劑注入控制器10可以形成燃料電池系統(tǒng)控制器15的一部分，用于控制燃料電池系統(tǒng)的另外的操作。

轉(zhuǎn)到圖2，示出燃料電池系統(tǒng)1的操作的示例方法?？梢杂扇剂想姵叵到y(tǒng)控制器15實行方法。實行操作方法以使得燃料電池系統(tǒng)能夠在寒冷或結(jié)冰的周邊條件下使用時有效地啟動。在寒冷或結(jié)冰的周邊條件下，存在因冷卻劑在冷卻劑存儲模塊3中結(jié)冰而造成由燃料電池組件2需要的冷卻劑可能不可用的風(fēng)險。對燃料電池系統(tǒng)來說識別何時可能存在結(jié)冰的風(fēng)險且相應(yīng)地修改其操作以使得能夠可靠地起動燃料電池系統(tǒng)很重要。當(dāng)燃料電池系統(tǒng)1為車輛提供動力時，這是特別重要的。車輛的用戶將預(yù)期燃料電池系統(tǒng)可靠地啟動且能夠在廣泛的操作環(huán)境中為車輛提供有效功率。這是一個挑戰(zhàn)，因為考慮到有效操作由燃料電池組件需要的資源諸如冷卻劑至少在最初階段可能不能使用。

圖2示出將燃料電池系統(tǒng)1打開以操作燃料電池組件2的步驟20。這可包括電氣系統(tǒng)諸如控制器10、控制器15的上電，以啟動燃料電池組件2。這可以發(fā)起通過入口4、入口5將燃料和氧化劑供應(yīng)到燃料電池組件2，或這可以在下面討論的步驟21之后實行。如之后討論的，可以控制燃料和氧化劑的相對流速，以實現(xiàn)特定化學(xué)計量比。

步驟21示出確定燃料電池系統(tǒng)1的溫度。因此，燃料電池系統(tǒng)控制器15可以使用(一個或更多個)溫度傳感器14確定在燃料電池系統(tǒng)(諸如在堆或水存儲模塊3)周圍和/或系統(tǒng)1的周圍的周邊環(huán)境中的一個或更多個位置處的溫度。將所確定的溫度或多個溫度測量值的最小值或最大值或平均值與預(yù)定溫度閾值比較，以確定冷卻劑結(jié)冰的風(fēng)險。在該實施例中，預(yù)定溫度閾值被設(shè)置在小于10℃的溫度處。如果所確定的溫度低于預(yù)定溫度，則在進(jìn)入正常操作模式之前，方法進(jìn)行到使用由步驟22和步驟23表示的兩個階段方法操作燃料電池系統(tǒng)，下面將對此進(jìn)行更詳細(xì)地討論。如果所測量的溫度大于或等于預(yù)定溫度，則燃料電池系統(tǒng)在由步驟24表示的“正常操作模式”下操作。在正常操作模式下，燃料電池系統(tǒng)可能不會將功率提供到加熱器元件12、加熱器元件13，但是下面將對此進(jìn)行更詳細(xì)地討論。將了解，預(yù)定溫度可以是0℃、1℃、2℃、3℃、4℃、5℃、6℃、7℃，或與燃料電池系統(tǒng)需要的冷卻劑或其它可結(jié)冰的資源的結(jié)冰點相關(guān)的某個其它值。

步驟25表示燃料電池系統(tǒng)的停機(jī)，諸如停止燃料和氧化劑的供應(yīng)。步驟26表示燃料電池系統(tǒng)控制器15使用(一個或更多個)溫度傳感器確定燃料電池系統(tǒng)和/或系統(tǒng)1周圍的周邊環(huán)境的溫度。如果檢測的溫度低于溫度閾值或不同的溫度閾值，則實行由步驟27表示的冷停機(jī)操作。在另外的實施例中，控制器15可以被配置成通過使用互聯(lián)網(wǎng)檢索天氣預(yù)報，以確定潛在的周邊溫度，并且系統(tǒng)1可以基于預(yù)報，確定是否實行冷停機(jī)例程27。例程27可以包括激活壓縮機(jī)(未示出)，以將存留在燃料電池組件2中的任何冷卻劑或水(隨著空氣或吹掃氣體)從組件2吹出，并且可能吹進(jìn)冷卻劑存儲模塊3中。然后，方法等待重新啟動燃料電池系統(tǒng)1。

圖3和圖4更詳細(xì)地示出由圖2的步驟22和步驟23表示的兩個階段方法。

圖3示出同時發(fā)生的三個過程30a、過程30b和過程30c。一般來說，第一過程30a包括在燃料電池系統(tǒng)1的起動時燃料電池組件2的電輸出的增量式增加。電輸出可以包括由組件2輸出的電流。因而燃料電池系統(tǒng)的電輸出從零(當(dāng)關(guān)閉時)增加到預(yù)定電流輸出，預(yù)定電流輸出可低于燃料電池組件2的最大功率輸出。預(yù)定輸出可以低于組件的最大輸出功率或輸出電流的70％、60％、50％、40％、30％、20％或10％。在該示例中，使用預(yù)定輸出電流閾值。在逐漸增加到預(yù)定電流輸出期間，可以測量燃料電池的性能，以確定是否可以維持到預(yù)定電流輸出或其它期望的功率輸出的增量式增加。

因此，在啟動燃料電池系統(tǒng)1時，施加到入口4的燃料入口壓力被設(shè)置為預(yù)定值，如在步驟32處所示的。在該示例中，將氫燃料入口壓力設(shè)置為0.1和0.8巴表壓之間的預(yù)定的第一壓力，其可以通過實驗選擇為足以提供第一階段的功率要求。燃料入口壓力可以低于用于正常操作條件(即，例如，當(dāng)燃料電池系統(tǒng)的操作溫度大于上述溫度閾值時)的燃料入口壓力。

然后，控制器15或注水控制器10可以使用來自燃料電池組件的功率，激活第一加熱器12，如由步驟33表示的。由此，加熱器12將加熱冷卻劑模塊3中的冷卻劑，這可以包括融化結(jié)冰的冷卻劑。

由步驟34和控制塊35示出燃料電池組件2的電輸出的增量式增加?？梢砸匀绫绢I(lǐng)域中的技術(shù)人員將已知的許多方式(諸如增加燃料流速或氧化劑流速)實現(xiàn)電輸出的逐漸增加。

可以由傳感器14表示的傳感器可以被配置成測量36組件2中的單個電池(或幾組電池)兩端的電壓。步驟37包括確定組件2中具有最小電壓的燃料電池兩端的電壓(被稱為“cvm電壓”)是否低于閾值，對于pem、氫、氧燃料電池，閾值可以是0.3v。一般來說，步驟37包括進(jìn)行燃料電池中的一個或更多個或所有燃料電池的電參數(shù)的評估。如果cvm電壓或其它電參數(shù)低于閾值，則這可以指示低性能燃料電池或過熱。因而，控制器可以被配置成減少電流輸出或降級/降低(de-rate)組件2的燃料電池組件上的負(fù)載(步驟38)，以允許燃料電池組件恢復(fù)，如由控制塊35的“-”側(cè)表示的。可以以許多方式(諸如通過控制負(fù)載或以供選擇的電源切換)實現(xiàn)負(fù)載的降低/降級(de-rate)。如果所確定的電壓是可接受的，則方法繼續(xù)進(jìn)行到步驟34中所示的電流輸出的增量式增加。

第二過程30b包括確定(步驟40)燃料電池組件的電流輸出和由燃料電池組件產(chǎn)生的電壓，以確定燃料電池組件2的功率輸出(通過積分步驟41)?？梢允褂糜蓚鞲衅?4表示的電流/電壓傳感器。通過考慮燃料電池組件的寄生負(fù)載42，諸如控制電子器件以及空氣或燃料壓縮機(jī)的驅(qū)動，可以在步驟43處確定供應(yīng)到第一加熱器12的凈功率。

步驟44包括使用兩個測量值以確定何時停用第一加熱器12。特別地，控制器15可以被配置成確定特定量的功率或能量是否已經(jīng)被供應(yīng)到加熱器元件12，以及高于電壓設(shè)置點的電壓是否已經(jīng)被供應(yīng)到第一加熱器12了預(yù)定時間段?？梢允褂媒苟嫈?shù)器、電壓表或其它傳感器。如果滿足兩個標(biāo)準(zhǔn)，則在步驟45處關(guān)閉第一加熱器12。否則，繼續(xù)從燃料電池組件2到第一加熱器12的功率的供應(yīng)。將了解，單個測量值或測量值的不同組合可以被用于確定何時停用第一加熱器12。(一個或更多個)測量值可以與融化預(yù)定量的結(jié)冰的冷卻劑和使在圍繞加熱器的體積內(nèi)所融化的冷卻劑變暖所需要的能量相關(guān)。

步驟45還包括打開與第一加熱器元件12不同的第二加熱器元件13。

方法保持在上述第一操作階段中，直到在步驟45處已經(jīng)關(guān)閉第一加熱器12，并且燃料電池組件的或離開燃料電池組件的排氣的溫度的測量值已經(jīng)達(dá)到溫度閾值，如由步驟46所示的。在該示例中，溫度閾值可以是至少10℃、15℃、20℃或25℃或更高。溫度傳感器47和決策塊48表示確定是否已經(jīng)超過溫度閾值。

步驟46的標(biāo)準(zhǔn)可以是不同的。例如，階段一操作模式和階段二操作模式之間的轉(zhuǎn)變可以基于預(yù)定量的液體冷卻劑可用于遞送到燃料電池組件的時間，和/或預(yù)定量的電功率已經(jīng)被供應(yīng)到加熱器元件的時間，和/或已經(jīng)在高于設(shè)置點電壓操作了加熱器元件預(yù)定時間的時間，和/或燃料電池組件的溫度或通過燃料電池組件的燃料或氧化劑流的溫度高于預(yù)定溫度的時間。

直到滿足由步驟46檢查的兩個條件，方法進(jìn)行到另外控制正在進(jìn)行的第三過程30c。可以與第一過程30a和第二過程30b一起發(fā)起第三過程30c，同時第三過程30c與第二過程鏈接在一起。

第三過程30c包括在初始步驟49將氧化劑流速設(shè)置為預(yù)定最小流速量。可以通過實驗確定預(yù)定流速，以確保在冷卻劑的釋放之前可以充分冷卻燃料電池組件。

方法進(jìn)行到確定實現(xiàn)施加在入口4、入口5處的氧化劑與燃料的特定第一化學(xué)計量比所需要的氧化劑/空氣流速(步驟50)。控制器15使用如由傳感器51確定的燃料電池組件2的電流輸出。步驟50被配置成控制氧化劑/空氣流速，以維持高化學(xué)計量比諸如高于10或高于15或高于20。步驟50表示控制壓縮機(jī)(未示出)，以遞送所需要的氧化劑流速來滿足期望的化學(xué)計量比。因此，空氣流量大大超過與提供到陽極入口4的燃料量處于化學(xué)計量平衡所需要的空氣流量。空氣用于冷卻燃料電池組件18，直到從水模塊3可獲得液體冷卻劑。

由此，在階段一中，上面的方法確保特定量的能量被供應(yīng)用于融化結(jié)冰的冷卻劑，使得在將預(yù)定量的冷卻劑引入到燃料電池組件之前，預(yù)定量的冷卻劑是可用的。這是有利的，因為可以增加冷卻劑的溫度，并且使一定量的冷卻劑可用，使得當(dāng)在到組件2的途中穿過管道時冷卻劑不會重新結(jié)冰。因此，在解凍之后，液體冷卻劑可以被保持在冷卻劑模塊3中，直到預(yù)定量的能量已經(jīng)被供應(yīng)到加熱器元件。

一旦滿足上述步驟46處評估的條件，方法就進(jìn)行到第二階段。一般來說，在第二階段中，水冷卻劑被供應(yīng)到燃料電池組件2，并且減少化學(xué)計量比。另外，燃料電池組件2的功率輸出被增加超出在步驟34中指定的預(yù)定電流輸出。

方法繼續(xù)提供將在第一階段中加熱的冷卻劑遞送到燃料電池組件2，步驟54a-54c中所示的?？梢砸远鄠€連續(xù)施加的流速遞送冷卻劑。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)提供初始高流速接著提供較低流速是有利的。這具有快速啟動水泵11(這可消除任何積聚冰和/或克服任何慣性)，填裝輸水管道，并且快速提供燃料電池組件(燃料電池組件已經(jīng)運(yùn)行而沒有冷卻劑或水合液體)的益處。對于包括通道(通道包括與每個燃料電池的有效區(qū)域相鄰但在每個燃料電池的有效區(qū)域上游的單個儲水容積)的燃料電池組件，高的初始冷卻劑流速可以填充通道，其然后用表計量橫跨燃料電池的有效區(qū)域的冷卻劑。

在第一示例中，初始在第一時間段內(nèi)提供高流速，接著在第二時間段內(nèi)提供較低流速，隨后接著提供甚至更低的流速。因此，在該示例中使用三個減小的流速的初始注水剖面。至少兩個減小的流速也是優(yōu)選的?？梢愿鶕?jù)存留在水存儲模塊中的融化的冷卻劑的預(yù)定量相對于完成第二階段所需要的時間，確定第二流速。注水剖面的效果為提供具有初始高扭矩值的冷卻劑泵(步驟54a)，在冷卻劑存儲模塊和組件之間填裝冷卻劑供應(yīng)管道(步驟54b)，并且然后以最小冷卻劑流速操作冷卻劑泵或在最小冷卻劑流速的閾值內(nèi)操作冷卻劑泵，用于維持組件的溫度(步驟54c)。

化學(xué)計量比的減少被示出為步驟55。在該示例中，例如，將化學(xué)計量比減少到小于15，或小于10，或小于5。相應(yīng)地設(shè)置燃料流和氧化劑流的流速，以實現(xiàn)期望的化學(xué)計量比。

圖4示出由(一個或更多個)控制器15、控制器10實行的方法的第二階段的繼續(xù)60。在第二階段中，可以激活第二加熱器13，但是在該示例中，在步驟45中，與第一加熱器元件的關(guān)閉結(jié)合，激活第二加熱器13。供給多個加熱器元件12、加熱器元件13是有利的，因為第一加熱器元件可以被定位成融化結(jié)冰的冷卻劑的特定區(qū)域，并且間隔開的加熱器元件可以融化冷卻劑存儲模塊3中的結(jié)冰的冷卻劑的不同區(qū)域。因此，在第一階段中，可已經(jīng)選擇第一加熱器元件的操作，使得足夠的能量被供應(yīng)用于基本上融化在第一加熱器元件12附近中的所有結(jié)冰的冷卻劑。這在模塊3中留下剩余量的結(jié)冰的冷卻劑，用于由第二加熱器元件13融化。

在第二階段中，施加到陽極入口4的氫燃料入口壓力增加(步驟61)。這將更多燃料提供到燃料電池組件2，允許增加組件2的功率輸出。

步驟62示出燃料電池組件的功率輸出逐漸增加到基本上燃料電池組件的最大功率輸出的50％。因此，既然燃料電池組件已經(jīng)被提供有液體冷卻劑，燃料電池組件就可以更有效地操作，并且可以增加燃料電池組件的功率輸出。雖然在該實施例中已經(jīng)使用50％功率輸出目標(biāo)，但是多達(dá)30％、40％、50％、60％或70％可以被選擇作為逐漸增加步驟62的目標(biāo)輸出。

(一個或更多個)控制器15、控制器10可以被配置成確定被供應(yīng)到燃料電池組件2的冷卻劑的量，如在步驟63處所示的。因此，可以監(jiān)測累積的水量。

第二加熱器13被提供具有來自燃料電池組件的功率，使得第二加熱器13加熱模塊3中的冷卻劑，直到已經(jīng)解凍預(yù)定量的冷卻劑。這可以通過測量供應(yīng)到加熱器元件13的能量或功率的量，和/或監(jiān)測高于設(shè)置點的電壓已經(jīng)被施加到加熱器元件13的時間量來確定。步驟64使用兩個標(biāo)準(zhǔn)以確定何時停用第二加熱器13。特別地，控制器15、控制器10可以被配置成確定特定量的功率或能量是否已經(jīng)被供應(yīng)到加熱器元件13，以及高于電壓設(shè)置點的電壓是否已經(jīng)被供應(yīng)到第二加熱器13了預(yù)定時間段?？梢允褂媒苟嫈?shù)器和電壓表或其它傳感器。如果滿足兩個標(biāo)準(zhǔn)，則在步驟65處關(guān)閉第二加熱器13。然后，控制器15、控制器10已經(jīng)完成上述“結(jié)冰的冷卻劑起動方法”的階段二，并且進(jìn)行到如步驟66所示的根據(jù)正常操作模式控制燃料電池系統(tǒng)。否則，繼續(xù)從燃料電池組件2到第二加熱器13的功率的供應(yīng)。

在逐漸增加到預(yù)定電流輸出期間，可以測量燃料電池系統(tǒng)1的性能以確定是否可以維持逐漸增加到預(yù)定電流輸出?？梢栽谝呀?jīng)達(dá)到預(yù)定電流輸出之后測量燃料電池系統(tǒng)1的性能?？刂破?5、控制器10使用傳感器測量組件兩端的電壓和/或組件2中的單個電池(或幾組電池)兩端的電壓。步驟67包括確定組件2中具有最小電壓的燃料電池中的一個燃料電池兩端的電壓是否低于閾值，對于pem、氫、氧燃料電池，閾值可以是0.3v。如果所確定的電壓是可接受的(即，高于閾值)，則方法進(jìn)行到監(jiān)測由環(huán)路68所示的水流速。

如果電壓低于閾值，則這可以指示低性能燃料電池或過熱。假設(shè)在第二階段中，水冷卻劑被供應(yīng)到燃料電池組件2，則方法進(jìn)行到在對流速或組件的電輸出作出改變之前，評估冷卻劑的量或正被供應(yīng)到組件2的冷卻劑的供應(yīng)的速率(步驟69)。

步驟69包括評估是否已經(jīng)達(dá)到預(yù)定最大水冷卻劑流速。如果已經(jīng)實現(xiàn)最大水冷卻劑流量(諸如通過達(dá)到泵11的最大性能)，則減少燃料電池組件2的負(fù)載。這可以通過如將由本領(lǐng)域中的技術(shù)人員已知的很多手段來實現(xiàn)。在步驟63處，方法繼續(xù)監(jiān)測冷卻劑注入速率。

如果水冷卻劑流速低于上面提及的預(yù)定最大值，則控制器15、控制器10被配置成使用冷卻劑模塊3中的液體冷卻劑液位傳感器(未示出)確定冷卻劑是否是可用的(步驟71)。供選擇地，控制器可以通過對由控制器請求的水流的量進(jìn)行積分估計可用的水。如果冷卻劑不是可用的，例如仍然結(jié)冰，則方法進(jìn)行到上述的步驟70。如果冷卻劑是可用的，則方法進(jìn)行到以泵11的方式控制(步驟72)冷卻劑流速，例如，從在第二階段(步驟54)開始時設(shè)置的速率到多達(dá)低于冷卻劑泵的最大性能的速率的流速閾值。因此，一般來說，控制器用于將冷卻劑流速增加到多達(dá)大于在第二階段(步驟54)開始時設(shè)置的速率最多15％或10％或20％(或其它百分比)。方法進(jìn)行到步驟63，在步驟63中，繼續(xù)監(jiān)測或估計冷卻劑注入速率的量。

已經(jīng)發(fā)現(xiàn)這兩個階段控制方案對從結(jié)冰或低于四攝氏度條件啟動燃料電池系統(tǒng)特別地有利。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)燃料電池系統(tǒng)能夠在2-3分鐘內(nèi)也許更快以其全操作功率進(jìn)行操作。

本文中討論的控制方法使用在各點處在組件中具有最小電壓的燃料電池的電壓以確?？煽康牟僮?。供選擇地，可以使用組件中的多個燃料電池兩端的燃料電池電壓的標(biāo)準(zhǔn)偏差，且將該組件中的多個燃料電池兩端的燃料電池電壓的標(biāo)準(zhǔn)偏差與在上面提及的實例中的一些或所有實例中的閾值比較。供選擇地，可以將平均燃料電池電壓的變化速率與閾值比較。供選擇地，可以將陰極排氣溫度或其中的變化與閾值比較。所有這些測量值可以被認(rèn)為是燃料電池組件性能的指標(biāo)。

圖1和圖5分別示出注水控制器10，并且例示用于控制遞送到燃料電池組件2的冷卻劑的量以提供有效的操作的方法。僅將足以保持組件2的溫度在可接受的限制內(nèi)的足夠的冷卻劑遞送到組件2是有利的。因此，在燃料電池組件的操作期間冷卻劑流速的主動控制是有利的，并且可以導(dǎo)致特別有效的系統(tǒng)1。

圖1示出用于燃料電池系統(tǒng)1的冷卻劑注入控制器10，冷卻劑注入控制器10被配置成響應(yīng)于來自傳感器或傳感器陣列14的燃料電池組件性能的測量值，主動控制到燃料電池組件2的冷卻劑流，用于冷卻和/或水合燃料電池組件2。

燃料電池組件性能的測量值可以包括來自傳感器14的燃料電池組件2的電輸出(諸如電流輸出或功率輸出)的測量值。在其它實施例中，燃料電池組件性能的測量值包括通過燃料電池組件的反應(yīng)物流的溫度(諸如在陰極排氣7處的溫度)的測量值。

冷卻劑注入控制器被配置成基于燃料電池組件2的電輸出(諸如電流輸出)，以至少兩個不同的模式操作。在該實施例中，如果組件的電流輸出低于預(yù)定閾值，則控制器10具有第一操作模式，并且如果組件的電流輸出大于預(yù)定閾值，則具有第二操作模式。供選擇地，可以基于由燃料電池組件所需要的冷卻劑流速，確定操作模式的選擇，諸如低流速(低于閾值)要求第一模式，并且高流速(高于閾值)要求第二模式。第一操作模式和第二操作模式不同在如何控制泵11以將冷卻劑遞送到燃料電池組件2。特別地，根據(jù)操作模式，變更流速、冷卻劑注入持續(xù)時間和冷卻劑注入速率模式中的一個或更多個。因此，提供不同冷卻劑注入剖面。

在該實施例中，在第一操作模式下，控制器被配置成通過相應(yīng)地控制泵11，在兩個不同冷卻劑流速之間交替。流速中的一個可以是零，并且另一個為正的，或它們可以都是正的(高于零)。在該示例中，控制器在25秒的持續(xù)時間內(nèi)以每分鐘80立方厘米的流速以及在35秒內(nèi)零流速提供冷卻劑的注入，并且周期性地在它們之間交替。將了解，另外，可以提供不同的流速，并且控制器可以通過它們循環(huán)。遵循該模式，可以更準(zhǔn)確地監(jiān)測遞送的水量，因為可很難使用泵11測量或準(zhǔn)確維持低流速。

在第二操作模式下，控制器10被配置成提供冷卻劑注入剖面，其中響應(yīng)于燃料電池組件性能的測量值，主動或逐漸控制冷卻劑流速。燃料電池性能的測量值可為(或包括)上述電流輸出，或燃料電池性能的測量值可以是燃料電池性能的不同的測量值，如上面討論的。

因此，響應(yīng)于燃料電池組件性能的測量值，控制器15可以提供閉環(huán)反饋以控制冷卻劑流速。燃料電池性能的測量值可以利用多個標(biāo)準(zhǔn)。例如，組件2中燃料電池的最小燃料電池電壓(cvm電壓)、組件電壓的變化速率或最小燃料電池電壓或平均燃料電池電壓、燃料電池電壓的標(biāo)準(zhǔn)偏差(或變化)、陰極排氣溫度7或其它參數(shù)中的一個或更多個。特別地，燃料電池性能的測量值包括指示燃料電池組件2的過熱和/或利用冷卻劑的燃料電池組件2的飽和度的測量值。

在一個示例中，如果在主動閉環(huán)控制反饋期間冷卻劑流速達(dá)到最大閾值速率，則控制器被配置成通過減少由堆產(chǎn)生的電流，減少燃料電池組件2的電功率輸出。

轉(zhuǎn)到圖5，該流程圖指示“正常操作”的開始，該“正常操作”的開始可以對應(yīng)于到達(dá)步驟66的先前描述的方法。在該示例中，控制器15被配置成確定cvm電壓和陰極排氣7溫度的絕對值和/或改變，以諸如通過命令泵11/為泵11供電主動控制冷卻劑流速。

步驟80包括設(shè)置來自燃料電池組件的期望的輸出電流和氧化劑/燃料化學(xué)計量比。在該示例中，小于步驟55的化學(xué)計量比的化學(xué)計量比。

步驟81包括確定cvm電壓的變化速率是否低于cvm速率閾值。如果不是，則方法進(jìn)行到評估(步驟82)陰極排氣溫度7是否高于溫度閾值。如果不是，則方法進(jìn)行到評估(步驟83)cvm電壓是否低于cvm閾值。

如果燃料電池性能的這三個評估(步驟81、步驟82、步驟83)中的任一個為真，則方法進(jìn)行到步驟84，在步驟84中，控制器15評估更大的水冷卻劑流速是否是可用的。例如，可以憑借達(dá)到上限和或操作上限的泵性能和/或模塊3中的水可用性，確定更大的水流速的可用性。從電流傳感器89利用來自燃料電池組件2的電流輸出的測量值88。在步驟84中，因此，控制器15確定當(dāng)前冷卻劑流速是否處于燃料電池組件的特定電流輸出的最大值。這可以包括查找表等的查閱，以確定特定電流輸出的最大冷卻劑流速。

如果冷卻劑速率的增加不是可用的，則控制器10被配置成減少或降級燃料電池組件2上的負(fù)載(步驟85)。負(fù)載的任何減少被存儲在存儲器中，使得一旦燃料電池組件表現(xiàn)良好，就可以增加負(fù)載。

如果冷卻劑是可用的(并且因而水流速沒有處于其最大值)，則控制器15被配置成增加將冷卻劑遞送到組件2的速率(步驟86)。然后，控制器返回到方法步驟81。

然后方法進(jìn)行到評估在步驟81、步驟82和步驟83處所示的燃料電池組件性能的指標(biāo)。

如果控制器15確定燃料電池組件2的性能在可接受的限制(基于步驟81、步驟82和步驟83返回假結(jié)果推斷出可接受的限制)內(nèi)，則方法進(jìn)行到步驟91，以確定先前是否已經(jīng)減小負(fù)載設(shè)置點(如在步驟85中的)。如上面所提及的，存儲器可以存儲該信息。如果先前已經(jīng)減小負(fù)載，則如在步驟92處所示的，在擴(kuò)展的時間段內(nèi)(或以預(yù)定速率，可實驗確定該預(yù)定速率)逐漸增加負(fù)載。方法返回到步驟81以再次監(jiān)測燃料電池組件性能。

如果先前尚未減小負(fù)載設(shè)置點，則方法進(jìn)行到步驟93。對于燃料電池組件操作于的特定電流輸出，控制器15檢查水冷卻劑流速是否高于默認(rèn)最小閾值(諸如在步驟86中增加到高于期望的最小值)。因此，傳感器可以確定電流輸出，并且可以查閱查找表等，以確定期望的最小冷卻劑流速。如果沒有超過水冷卻劑閾值，則方法返回到在步驟81處的開始。如果水冷卻劑閾值高于預(yù)定默認(rèn)最小值，則控制器15被配置成(以預(yù)定速率，可實驗地確定該預(yù)定速率)緩慢地減小水流速，如由步驟94所示的。方法進(jìn)行到步驟81，在步驟81處，檢查燃料電池組件性能。

一般來說，對于燃料電池組件的每個期望的輸出電流，可以(諸如經(jīng)驗地)設(shè)置最小冷卻劑流速和最大冷卻劑流速，并且控制器可以被配置成維持冷卻劑流速處于預(yù)定最小冷卻劑流速，除非燃料電池組件的性能的測量值(諸如由步驟81-步驟83提供的)指示需要增加水流速。對于任何給定燃料電池組件輸出電流，將僅將水流速增加到多達(dá)預(yù)定最大冷卻劑流速。

將了解，在上面示例中公開的單個步驟中的每個步驟在燃料電池組件的有效操作中發(fā)揮重要作用。于是，每個單個步驟可以實行如所要求保護(hù)的本發(fā)明的可選的方面。