使用于低于冰点的环境条件的燃料电池电站操作系统和方法

摘要

燃料电池电站操作系统（10）包括开/关转换设备旁路电路（60）用以每当在燃料电池操作温度低于预定的冻结-安全操作温度时燃料电池（12）开/关转换设备（58）被关断的时候维持燃料电池（12）的操作。旁路电路（60）操作燃料电池（12）直到燃料电池（12）温度达到或者超过冻结-安全温度从而防止燃料电池（12）产物水在燃料电池催化剂（26，40）中及附近变成冰。

说明书

技术领域

本发明涉及燃料电池，其适合用于运输车辆、移动电站、或如固定电站，以及本发明特别是涉及用于最小化有关燃料电池水冻结问题的燃料电池电站操作系统。

背景技术

燃料电池是众所周知的，并且通常被用于从包含还原液态燃料(reducing fluid fuel)的氢和包含氧化剂反应物流的氧产生电功率以向诸如发电机和运输车辆这样的电气设备供电。在现有技术的燃料电池中，使用质子交换膜（proton exchange membrane,“PEM”）作为电解质是已知的。如众所周知的，在阳极催化剂层处形成的质子穿过电解质移动到阴极催化剂层，而电子移动穿过电路来给负载供电。当电子完成该电路回到燃料电池时并且当氧化剂经过阴极催化剂附近时，在阴极催化剂处形成燃料电池产物水（fuel cell product water）。

使用这样的燃料电池来给运输车辆供电必要地包括许多起动-停止循环，其中的一些会发生在低于冰点的环境条件中。一般，在PEM燃料电池中的燃料电池产物水至少部分地被再循环，或被利用以使膜与水化合，以使反应物流湿润，以从膜电极组装（membrane electrode assembly,“MEA”）去除热，以支持燃料重整器，以及为了其他众所周知的目的。在低于冰点的环境条件中，燃料电池水的冻结可能阻塞引导反应物流穿过燃料电池的流动路径（flow path），从而破坏燃料电池性能。

最小化燃料电池产物水的冻结问题的努力包括使用复杂的和昂贵的燃料加热器（fuel fired heater），使用来自燃料电池电站电池组（battery）的寄生功率（parasitic power）的电加热器，冷却水流动流内复杂的防冻解决方案，等等。排他地依赖在燃料电池的启动时由操作燃料电池所生成的热以防止燃料电池产物水冻结和阻塞反应物流流动通道（flow channel）也是已知的。这样的启动常常被称作“辅助程序启动”（boot strap start-up），因为燃料电池本身提供其自己的热用于防止在启动期间产生的燃料电池产物水的冻结。

然而不幸地，当环境条件极端冷的时候，或者当燃料电池在低于冰点的环境条件中只被操作短的持续时间（诸如，2-3分钟或者更短的车辆操作）时，在启动时生成的燃料电池产物水可能在阴极催化剂层的孔隙内和在邻近阴极和/或阳极催化剂层的反应物流动孔隙或通道内保持在低于冰点的条件。于是这样低于冰点的燃料电池水可能冻结和阻塞或限制气态反应物流到燃料电池催化剂的通路。这是特别棘手的问题，如果燃料电池供电的车辆经历一次或更多中止的起动（aborted start）的话,其意味着操作者发起燃料电池停止运转，一般通过在燃料电池达到冻结-安全（freeze-safe）操作温度之前在燃料电池启动过程期间关断燃料电池开/关转换设备（on/off switching device）。这可能由于正常车辆操作境况的各种典型原因而发生，诸如操作者返回到住处内去取遗忘的物项，非常短的旅程，诸如去邻居的住处，等等。于是冻结的燃料电池水通过阻止和/或严重限制邻近燃料电池催化剂、尤其是邻近阴极催化剂的反应物流的流动，可能相当大地妨碍在低于冰点的环境条件中启动燃料电池时的后续努力。关键点或主要问题是当电站由于其操作环境不适宜停止运转时，电站停止运转信号被发送到电站控制器。

发明内容

本公开是用于在低于冰点的环境条件中启动燃料电池的燃料电池电站操作系统。该系统包括燃料电池，用于引导氧化剂和燃料反应流通过燃料电池以生成电流并且通过负载电路向主要负载提供电流。系统控制器控制燃料电池的操作以及向操作电路传送控制信号，该操作电路被固定（secured）在与系统控制器和燃料电池及在系统控制器和燃料电池之间的通信中，用于控制燃料电池的操作，包括通过控制通过燃料电池的反应物流的流动。温度传感器被固定在燃料电池上，用于感测邻近燃料电池的电解质的温度，并且温度传感器将所感测的温度传送给系统控制器。开/关转换设备被固定在与系统控制器和操作电路及在系统控制器和操作电路之间的通信中，并且选择性地允许操作电路来操作燃料电池。开/关转换设备旁路电路（by-pass circuit）被固定在与系统控制器和操作电路及在系统控制器和操作电路之间的通信中，用于在开/关转换设备被关断并且温度传感器感测到燃料电池温度低于预定的冻结-安全操作温度时，选择性地允许操作电路来操作燃料电池。为了此处的目的，短语“开/关转换设备”指的是任意转换设备、信号、能够将指令传送给系统控制器以选择性地启动和停止运转燃料电池的通信设备或方法。

通过允许燃料电池的操作，开/关转换设备旁路电路允许燃料电池生成足够的热以将燃料电池催化剂层内和其附近的燃料电池水保持在液态形式直到燃料电池温度达到预定的冻结-安全操作温度为止。在该温度，燃料电池将达到了液态和气态燃料电池产物水的可接受的平衡。升高的温度将帮助液态水从阴极催化剂及其附近蒸发，并且于是水蒸气将和氧化剂反应物流一起移出燃料电池。同时地，升高的燃料电池温度将融化在气体扩散层的孔隙内冻结的燃料电池水，所述气体扩散层扩散邻近催化剂的反应物流的流动。

在冻结-安全操作温度，燃料电池可能被停止运转，而没有在催化剂层的孔隙内和/或在邻近的反应物流动路径内形成不可接受水平的破坏性冰。在开/关转换设备旁路电路受控制的燃料电池操作期间所产生的燃料电池电流可以被引导通过旁路电路至诸如燃料电池电池组（fuel cell battery）、加热器的辅助负载（auxiliary load），或者仅仅至诸如散热器等等的电阻性负载（resistive load），而不是至主要负载（例如，车辆发动机）。

因此，本公开的一般目的是提供用于在低于冰点的环境条件中使用的燃料电池电站操作系统和方法，其克服现有技术的缺陷。

更特定的目的是提供用于在低于冰点的环境条件中使用的燃料电池电站操作系统和方法，其最小化在燃料电池电站启动过程和后续燃料电池电站操作期间有关燃料电池产物水冻结的问题。

当结合附图阅读下列描述时，本公开的这些和其他目的和优点将变得更加显而易见。

附图说明

图1 是依照本公开而构造的用于在低于冰点的环境条件中使用的燃料电池电站操作系统和方法的简化示意表示。

图2是判定流程图，表示了依照本发明的用于在低于冰点的环境条件中使用的燃料电池电站操作方法。

具体实施方式

详细地参考附图，在图1中示出了用于在低于冰点的环境条件中操作电站的燃料电池电站操作系统的简化示意表示，并且通常由参考数字10指定。燃料电池电站系统10包括燃料电池12，用于引导氧化剂和燃料反应物流通过燃料电池12以生成电流并且通过负载电路14和主要负载转换设备15向诸如电动机的主要负载16提供电流。燃料电池12包括氧化剂源18，用于存储并且引导氧化剂反应物流通过被固定在氧化剂吸入管路（oxidant inlet line）20上的氧化剂鼓风机19和氧化剂吸入阀22进入阴极流场（cathode flow field）24用于引导氧化剂反应物流以经过阴极催化剂26附近并且通过阴极排出管路（cathode exhaust line）28和被固定在管路28上的阴极排出阀30从阴极流场24出来。燃料电池12也包括燃料源32，用于存储和引导富氢反应物流通过燃料吸入管路34和燃料吸入阀36进入阳极流场38用于引导氢反应物流以经过阳极催化剂40附近并且通过阳极排出管路42和被固定在管路42上的阳极排出阀44从阳极流场38出来。

系统控制器46控制燃料电池12的操作，并且可以是任意已知的并且能够如此处所述执行系统控制功能的控制装置，诸如计算机、微计算机、机电阀和由人工操作者、传输到阀和转换设备的由计算机生成的控制信号操作的转换设备等等。系统控制器46向操作电路48传送控制信号，该操作电路48被固定在与系统控制器46和燃料电池12及在系统控制器46和燃料电池12之间的通信中，用于控制燃料电池12的操作，包括通过控制通过燃料电池吸入阀22、36和排出阀30、44的反应物流的流动，和通过控制主要负载转换设备15。为了解释的效率，操作电路48在图1中被示意性地示出为延伸在系统控制器46和阀22、30、36、44和主要负载转换设备15之间的操作线路50A、50B、50C和50D。然而，操作电路48可能更加复杂，包括已知的电路控制装置，其通过任意形式的信号通信装置激活用于控制阀和转换设备，并且可以包括很多对于本公开的解释不是必要的、但对于燃料电池12的有效操作是必要的中间的和补助的装置。

温度传感器52被固定在燃料电池12上，用于感测邻近燃料电池12的电解质54的温度，并且用于将所感测的温度传送给系统控制器46，诸如通过温度线路56。开/关转换设备58被固定在与系统控制器46和操作电路48及在系统控制器46和操作电路48之间的通信中，并且如以上所述的，选择性地允许操作电路48来操作燃料电池12。（通过短语“选择性地允许”，这意味着该开/关转换设备58可以由操作者（未示出）或者系统控制器46从以下来选择：位置“开（on）”（转换设备闭合）以允许控制电路48的操作，或者位置“关（off）”（转换设备断开）以结束燃料电池12的操作。）

开/关转换设备旁路电路60被固定在与系统控制器46和操作电路48及在系统控制器46和操作电路48之间的通信中。响应于从温度传感器52接收到的所感测的温度，当开/关转换设备58被关断并且温度传感器52感测到燃料电池12的温度低于预定的冻结-安全操作温度时，系统控制器46选择性地允许开/关转换设备旁路电路60绕过开/关转换设备58从而允许操作电路48来操作燃料电池12。通过短语“预定的冻结-安全操作温度”，这意味着为每个特定的燃料电池确定特定的温度，在该特定的温度时或高于该特定的温度，在停止运转燃料电池时冰的形成不导致或导致最小限度的问题。开/关转换设备旁路电路60也与系统控制器46、操作电路48、主要负载转换设备15和辅助负载转换设备62固定及被固定在其之间。旁路电路60被配置用于关断（断开）主要负载转换设备15，并且同时地接通（闭合）辅助负载转换设备62，从而在使用旁路电路60期间生成的电流被引导至辅助负载64，而不是主要负载16。辅助负载64可以是电池组和/或电容器、加热电路、电阻性负载或者其他这样的负载。

开/关旁路电路60在图1中被示意性地示出为延伸在系统控制器46、操作电路48、主要负载转换设备15和辅助负载转换设备62之间的多个通信线路66A、66B和66C（例如，电气线路、传输路径，等等）。然而，旁路电路60也可以包括能够执行所述功能的任意信号通信装置。

当开/关转换设备58、控制电路48和旁路电路60被示出为与系统控制器46分开时，通过该描述意味着转换设备58、控制电路48和旁路电路60具有单独的功能。可能的是，开/关转换设备58、控制电路线路50A、50B、50C、50D、旁路电路60和旁路电路线路66A、66B、66C可以以各种协作结构在物理上被集成在系统控制器46内，并且对于每个部件仅通过在此处所述的功能分开。

图2示出了判定流程图，其有效地解释了本公开的燃料电池电站操作系统10的操作。针对燃料电池12，其会是为运输车辆（未示出）供电的燃料电池电站（未示出）的燃料电池堆（未示出）内的多个互连燃料电池中的一个，在图2中示出的行动和判定开始于车辆操作者或者用户发起的车辆停止70，诸如通过关断（断开）开/关转换设备58。当用户发起停止运转、（转换设备-关），控制器46判定，如在判定框72中所示的，是否发生了中止的冻结起动（aborted freeze start）。中止的冻结起动被定义为当在用户发起的车辆起动（转换设备-开）时燃料电池的内部温度低于0℃并且在用户发起的停止（转换设备-关）时燃料电池12的内部温度没有升至高于冻结-安全操作温度时发生。如果确定没有发生中止的冻结起动，那么如在图2的框78中所示，系统控制器46的中止起动计数器被重置为0，并且如在图2的框80中所示，控制器46继续进行燃料电池12电站正常停止运转程序。如果如图2中在参考74处由“是”所示的，确定发生中止的冻结起动，那么如在框82和判定框84中所示，系统控制器46判定中止的冻结起动的次数是否超过了预定的极限。如果中止的冻结起动的次数小于或等于预定的极限，那么中止的冻结起动的次数被递增1并且如在参考86和“正常停止运转”框88处由“否”判定所示，控制器46正常地停止运转燃料电池12。如果如在参考90处由“是”判定所示，中止的冻结起动的次数超过了预定的极限，那么如在参考92中所示，控制器发起燃料电池变热（warm-up）程序。

通过短语“中止冻结起动（abort freeze start）”，“中止启动”，或者“中止的冻结起动”，并不意味着燃料电池12没能起动。代替地，中止的冻结起动意味着在低于冰点的环境条件中起动之后并且在燃料电池12达到预定的冻结-安全操作温度之前，燃料电池用户关断燃料电池开/关转换设备58。例如，可能在极端冷的环境条件中发生这样的中止的起动，其中车辆行驶了短于几百米的非常短的旅程。

在燃料电池变热程序中，当旁路电路60关断（断开）主要负载转换设备15，并且接通（闭合）辅助负载转换设备62时，系统控制器46将占用开/关转换设备旁路电路60以保持氧化剂和燃料反应物流流经燃料电池12。于是燃料电池12将操作或运行直到温度传感器52感测到燃料电池12的温度超过了预定的冻结-安全操作温度“X”，如在图2的框92中所示。

于是系统控制器46将控制燃料电池12以进行正常的停止运转程序，如在图2的框94中所示。这样的“正常停止运转”可以包括取决于燃料电池12的设计、燃料电池12的操作环境、和环境条件等等的各种步骤和/或过程。例如，氧化剂鼓风机19可以由系统控制器46控制，以便以变化的流速操作并且根据这样的因素操作变化的持续时间。此外，由系统控制器46通过开/关转换设备旁路电路60进行的燃料电池12的操作可以被控制以在有用的电压上操作燃料电池12（例如，大于0.6伏特），或者氧化剂鼓风机19可以被控制以便以最低速度操作以产生虚拟氧化剂匮乏模式，而让电压降至大约0.0伏特。用于燃料电池的该操作的功率可以来自辅助负载64电池组，等等。

因此，在低于冰点的环境条件中启动燃料电池12的有效方法包括通过接通开/关转换设备58来启动燃料电池12，从而氧化剂和燃料反应物流流经燃料电池12，以产生用于主要负载16的电流；当燃料电池12在燃料电池电解质54附近具有低于预定的冻结-安全操作温度的温度时，关断开/关转换设备58；并且，控制燃料电池12以继续操作直到当开/关转换设备58被关断时燃料电池12在电解质54附近的温度高于预定的冻结-安全操作温度为止。该方法也可以包括，在关断开/关转换设备58之后，将电流从主要负载16引导至辅助负载64，以及在第一中止的起动84之后只控制燃料电池12以继续操作，如在图2中所示的。

如以上所描述的，当燃料电池12在温度方面升高到冻结-安全操作温度“X”时，燃料电池12将达到了液态和气态水的可接受的和稳定的操作平衡，从而于是燃料电池12可以被停止运转而没有在阴极催化剂26和/或阳极催化剂40的孔隙内以及在邻近的阴极流场24和阳极流场38和有关的反应物流流动路径内形成不可接受水平的破坏性冰。通过允许燃料电池12的操作，开/关转换设备旁路电路60允许燃料电池12生成足够的热来将在燃料电池催化剂内及附近的燃料电池12水保持在液态形式，直到燃料电池12的温度达到预定的冻结-安全操作温度“x”。升高的温度将特别地帮助液态水从阴极催化剂26及附近蒸发，并且于是水蒸气将和氧化剂反应物流一起从燃料电池12中移出，从而燃料电池12可以经历正常和安全的停止运转。

虽然关于已说明的用于在低于冰点的环境条件中使用的燃料电池12电站操作系统10和方法描述了本申请，要理解的是本发明并不局限于那些实施例。例如，虽然出于解释的目的将燃料电池12示出为单一的电池12，要理解的是燃料电池12的使用更有可能是在众所周知的燃料电池堆组装（fuel cell stack assembly）（未示出）中以协作歧管等等布置的各种邻近的燃料电池（未示出）内。因此，应当主要地参考下列权利要求而不是先前的描述来确定本发明的范围。