检测没有冷却剂流入燃料电池系统的方法

摘要

本发明涉及检测没有冷却剂流入燃料电池系统的方法。具体地，公开了一种确定在冷燃料电池系统启动时是否有燃料电池堆冷却液流动的方法。该方法监测燃料电池堆外部的冷却液温度，并确定冷却液的温度是否随着堆温度升高而正常升高。

说明书

技术领域

本发明总体涉及一种确定在冷冻启动时是否有冷却液流经燃料电池堆的 方法，更具体地，涉及一种通过监测堆外部冷却液的温度来确定是否有冷却液 流经燃料电池堆的方法。

背景技术

氢是非常具有吸引力的燃料，因为它清洁且能够在燃料电池中被有效地用 于产生电。氢燃料电池是这样的电化学装置，该电化学装置包括阳极和阴极， 阳极和阴极之间具有电解质。阳极接收氢气，阴极接收氧气或者空气。氢气在 阳极分离以产生自由的质子和电子。质子通过电解质至阴极。该质子在阴极与 氧和电子反应以产生水。来自阳极的电子不能通过电解质，因而这些电子被引 导通过载荷从而在被送至阴极之前执行做功。

质子交换膜燃料电池(PEMFC)是用于车辆的流行的燃料电池。PEMFC 通常包括固体聚合物电解质质子传导膜，例如全氟磺酸膜。阳极和阴极通常包 括细碎的催化颗粒(通常是铂(Pt))，该催化颗粒支撑在碳颗粒上并与离聚物混 合。催化混合物沉积在该膜的相对侧上。阳极催化混合物、阴极催化混合物和 该膜的组合限定了膜电极组件(MEA)。MEA制造起来相对较贵且需要特定的 条件以有效操作。

通常在燃料电池堆中通过串联组合几个燃料电池以产生所需的功率。例如， 用于车辆的典型燃料电池堆可以具有两百或者更多叠置的燃料电池。燃料电池 堆接收阴极输入反应气体，该阴极输入气体通常为通过压缩机强迫通过所述堆 的空气流。所述堆并未消耗所有的氧气，一些空气作为阴极废气输出，该阴极 废气可以包括作为堆的副产物的水。燃料电池堆也接收阳极氢反应气体，该阳 极氢输入气体流入该堆的阳极侧。堆还包括流动通道，冷却液流动通过流动通 道。

燃料电池堆包括一系列双极板，该双极板定位在该堆内的几个MEA之间， 其中双极板和MEA被定位在两个端板之间。双极板包括用于堆内相邻燃料电池 的阳极侧和阴极侧。阳极气体流动通道设置在双极板的阳极侧上，该阳极气体 流动通道允许阳极反应气体流动到各自的MEA。阴极气体流动通道设置在双极 板的阴极侧上，该阴极气体流动通道允许阴极反应气体流动到各自的MEA。一 个端板包括阳极气体流动通道，另外一个端板包括阴极气体流动通道。双极板 和端板由例如不锈钢或者导电复合材料之类的导电材料制造。端板将燃料电池 产生的电导出到该堆之外。双极板也包括冷却液流经其中的流动通道。

如上所述，燃料电池堆包含冷却液流动通道，典型地在堆双极板中。流动 通道接收冷却液来维持燃料电池的工作温度在所需的水平。冷却液通过高温泵 泵送经过堆和堆外部的冷却剂回路，其中当冷却液流出堆后，散热器典型地冷 却该冷却液。温度传感器典型地在电池堆外部的冷却剂回路中提供以监测冷却 液流出和流入堆时的温度来维持堆温度的紧密控制。冷却液典型地是水和乙二 醇的混合物，其提供了增强的带走热量的性能，并降低了冷却液的冷冻温度。

不管冷却液的低温性能，已经发现了在一定的低温条件下，冷却液将会变 得粘稠(slushy)，并且还有可能冷冻成固态。如果车辆或燃料电池系统在这些 情况下启动，冷却液可能不流经堆中的流动通道和堆外部的冷却剂回路。当冷 却液粘稠时，堆中的双极板的小冷却液通道可能会阻挡冷却液的流动。当系统 启动并且冷却液不能很好地流动时，堆废热使得堆温度增加超过其正常工作温 度，也可能到将损坏例如MEA的燃料电池堆元件的温度。因此，在系统启动时 需要检测低温冷却液以防止堆受损。

发明内容

根据本发明的教导，公开了一种确定在冷燃料电池系统启动时是否有燃料 电池堆冷却液流动的方法。该方法监测燃料电池堆外部的冷却液温度，并确定 冷却液的温度是否随着堆温度升高而正常升高。

本发明其他特点将从下面说明、所附权利要求并结合附图而变得显而易见。

本发明还提供了以下方案：

1.一种用于在燃料电池系统启动时确定冷却液是否流经燃料电池堆和所述 燃料电池堆外部的冷却剂回路的方法，所述方法包括：

启动所述燃料电池堆使得其产生功率和废热；

在所述燃料电池堆已经启动之后，测量所述冷却剂回路中至少一个位置处 的冷却液随时间的温度预热；

基于所述冷却液随时间测得的温度确定温度预热曲线；

确定所述温度预热曲线是否与第一预定温度曲线相匹配，所述第一预定温 度曲线指示所述冷却液不流经所述燃料电池堆，或者确定所述温度预热曲线是 否与第二预定温度曲线相匹配，所述第二预定温度曲线指示所述冷却液流经所 述燃料电池堆；以及

如果确定了所述温度预热曲线与所述第一预定温度曲线相匹配，则启动所 述冷却液的解冻模式。

2.根据技术方案1所述的方法，其中，在所述冷却剂回路中的至少一个位 置处测量所述冷却液温度包括：在所述冷却液离开所述燃料电池堆的位置和所 述冷却液进入所述燃料电池堆的位置测量所述冷却液的温度，所述温度预热曲 线使用两者温度测量来确定。

3.根据技术方案1所述的方法，进一步包括确定来自泵送所述冷却液经过 所述冷却剂回路和所述堆的高温泵的泵速度反馈信号是否与泵速度控制设定点 相同，从而确定所述泵速度是否为希望速度，如果不是，则设置为泵故障。

4.根据技术方案1所述的方法，进一步包括确定所述冷却液水平是否为希 望冷却液水平，如果不是，设置为冷却液故障。

5.根据技术方案1所述的方法，进一步包括确定所述环境温度是否低于预 定阈值，并且如果所述环境温度低于所述阈值，则测量所述冷却液的温度并确 定所述温度预热曲线。

6.根据技术方案5所述的方法，进一步包括：如果确定了所述环境温度高 于所述阈值，则确定泵速度反馈信号是否与泵速度控制设定点相同，如果不是， 则设置为泵故障。

7.根据技术方案6所述的方法，进一步包括：如果所述泵速度反馈信号与 所述设定点相等，则使用所述温度预热曲线确定所述冷却液是否正在预热，如 果不是，则设置为冷却液故障。

8.根据技术方案5所述的方法，进一步包括：如果确定了所述环境温度高 于所述阈值，则确定所述冷却液水平是否处于希望的冷却液水平，如果不是， 则设置为冷却液故障。

9.根据技术方案8所述的方法，进一步包括：如果所述冷却液水平处于所 述希望的冷却液水平，则使用所述温度预热曲线确定所述冷却液是否正在预热， 如果不是，则设置为泵故障。

10.根据技术方案5所述的方法，进一步包括确定热子系统控制器是否从所 述泵接收泵速度反馈信号。

11.一种用于在燃料电池系统启动时确定冷却液是否流经燃料电池堆和所 述燃料电池堆外部的冷却剂回路的方法，所述方法包括：

启动所述燃料电池堆使得其产生功率和废热；

打开高温泵，其泵送所述冷却液经过所述冷却剂回路和所述燃料电池堆；

在所述燃料电池堆已经启动之后，在所述冷却剂回路中所述冷却液离开所 述燃料电池堆的位置和在所述冷却剂回路中所述冷却液进入所述燃料电池堆的 位置测量随时间的所述冷却液温度；

基于在所述冷却液进入所述燃料电池堆和离开所述燃料电池堆的位置的所 述冷却液随时间测得的温度确定温度预热曲线；

确定所述环境温度是否低于预定阈值；

如果所述环境温度低于所述阈值，确定泵速度反馈信号是否与泵速度控制 设定点相同，如果不是，则设置为泵故障；

如果所述环境温度低于所述阈值，确定所述冷却液水平是否为希望的冷却 液水平，如果不是，则设置为冷却液故障；

确定所述温度预热曲线是否与第一预定温度曲线相匹配，所述第一预定温 度曲线指示所述冷却液不流经所述燃料电池堆，或者确定所述温度预热曲线是 否与预定温度曲线相匹配，该预定温度曲线指示所述冷却液流经所述燃料电池 堆；以及

如果确定了所述温度预热曲线与所述第一预定温度曲线相匹配，则启动所 述冷却液的解冻模式。

12.根据技术方案11所述的方法，进一步包括：如果确定了所述环境温度 高于所述阈值，则确定泵速度反馈信号是否与泵速度控制设定点相同，如果不 是，则设置为泵故障。

13.根据技术方案12所述的方法，进一步包括：如果所述泵速度反馈信号 与所述设定点相等，则使用所述温度预热曲线确定所述冷却液是否正在预热， 如果不是，则设置为冷却液故障。

14.根据技术方案11所述的方法，进一步包括：如果确定了所述环境温度 高于所述阈值，则确定所述冷却液水平是否处于希望的冷却液水平，如果不是， 则设置为冷却液故障。

15.根据技术方案14所述的方法，进一步包括：如果所述冷却液水平处于 所述希望的冷却液水平，则使用所述温度预热曲线确定所述冷却液是否正在预 热，如果不是，则设置为泵故障。

16.根据技术方案11所述的方法，进一步包括确定热子系统控制器是否从 所述泵接收泵速度反馈信号。

17.一种用于在燃料电池系统启动时确定冷却液是否流经燃料电池堆和所 述燃料电池堆外部的冷却剂回路的系统，所述系统包括：

装置，其用于启动所述燃料电池堆使得其产生功率和废热；

装置，其用于在所述燃料电池堆已经启动之后，测量所述冷却剂回路中至 少一个位置处的冷却液随时间的温度；

装置，其用于基于所述冷却液随时间测得的温度确定温度预热曲线；

装置，其用于确定所述温度预热曲线是否与第一预定温度曲线相匹配，所 述第一预定温度曲线指示所述冷却液不流经所述燃料电池堆，或者确定所述温 度预热曲线是否与第二预定温度曲线相匹配，所述第二预定温度曲线指示所述 冷却液流经所述燃料电池堆；以及

装置，其用于如果确定了所述温度预热曲线与所述第一预定温度曲线相匹 配，则启动所述冷却液的解冻模式。

18.根据技术方案17所述的系统，其中，用于在所述冷却剂回路中的至少 一个位置处测量所述冷却液温度的装置包括：装置，其用于在所述冷却液离开 所述燃料电池堆的位置和所述冷却液进入所述燃料电池堆的位置测量所述冷却 液的温度，所述装置用于确定所述温度预热曲线，所述温度预热曲线使用两者 温度测量来确定。

19.根据技术方案17所述的系统，进一步包括装置，其用于确定来自泵送 所述冷却液经过所述冷却剂回路和所述堆的高温泵的泵速度反馈信号是否与泵 速度控制设定点相同，从而确定所述泵速度是否为希望速度，如果不是，用于 确定的所述装置则将其设置为泵故障。

20.根据技术方案17所述的系统，进一步包括装置，其用于确定所述冷却 液水平是否为希望冷却液水平，如果不是，用于确定的所述装置则将其设置为 冷却液故障。

附图说明

图1是包括燃料电池堆和热子系统的燃料电池系统示意平面图；

图2是横轴为时间，纵轴为温度的曲线图，用于显示在系统冷冻启动时流 经热子系统的冷却液的温度；以及

图3是显示用于确定在系统启动时冷却液是否正常流动的过程的流程图。

具体实施方式

接下来要讨论的本发明的实施例涉及一种确定在系统冷冻起动时冷却液是 否流经燃料电池堆的方法，并且其本质上仅仅作为举例，而不用于对本发明或 其应用或使用进行限制。

图1是简化的包括燃料电池堆12的燃料电池系统10的示意平面图，燃料 电池堆12包括阴极侧，该阴极侧用于接收来自阴极输入管路16上的压缩机14 的空气，并且在阴极排气管路18上提供阴极排气。燃料电池堆12还包括阳极 侧，用于接收来自阳极输入管路22上的氢气源20(例如高压罐)的氢气，并且 在阳极排气管路24上提供阳极排气。系统10进一步包括提供冷却液流入燃料 电池堆12的热子系统。热子系统包括高温泵28，其泵送冷却液通过燃料电池堆 12外部的冷却剂回路26，并通过燃料电池堆12内双极板中的冷却液流动通道。 温度传感器32在其燃料电池堆12时测量冷却剂回路26内的冷却液的温度，温 度传感器34在其离开燃料电池堆12时测量冷却剂回路26内的冷却液的温度。

如上所述，如果冷却液是粘稠或冻结的，即使泵28可处于旋转状态，冷却 液也可不流经堆流动通道和冷却剂回路26。在这种条件下，在冷却液被充分解 冻以至于能够流过燃料电池堆12之前燃料电池堆12可能过热。

图2是横轴为时间，纵轴为温度的曲线图，显示出与正常系统工作相关的 这种冷冻状态类型。具体地，当系统运行状态从线40开始时，空气和氢燃料将 被提供给燃料电池堆12，然后其将开始产生功率和废热。如果冷却液流过燃料 电池堆12和冷却剂回路26，那么冷却液的温度将在运行启动后的约8秒时开始 增加。其由曲线42和曲线44表现，曲线42是由入口温度传感器32测得的冷 却液温度，曲线44是由出口温度传感器34测得的冷却液温度。如果冷却液不 流动，燃料电池堆12由于其所产生的废热而继续加热，但冷却液的温度将在数 秒内不增加，然后才稍微升高。其由曲线46和48表现，曲线46是由入口温度 传感器32测得的冷却液温度，曲线48是由出口温度传感器34测得的冷却液温 度。等到冷却液被加热到其将流经燃料电池堆12的温度时，堆12可能已经损 坏。

根据本发明，如图2的曲线所示，在系统冷冻启动时当冷却液不流动和当 冷却液流动时冷却液温度之间的关系，可以在系统10中通过适当的启动算法来 确定冷却液是否流动。

图3是流程图50，其示出了这种算法的一个例子。算法首先在判定菱形框 52中确定环境温度是否低于某阈值。阈值可以是任何适合特定燃料电池系统的 阈值，例如水的冻结温度，冷却液的水/乙二醇混合物的冻结温度，或任何其它 可用的温度。如果在判定菱形框52中环境温度比阈值低，算法确定是否有除温 度之外的因素可防止冷却液流经冷却剂回路26和堆12。

在判定菱形框54中，算法确定来自泵28的泵速度反馈信号是否等于设定 泵28速度的控制器设定点。如果泵28故障并不旋转，或是以与期望不同的速 度旋转，那么因此冷却液将不能正确流动，甚至其还有可能冻结。如果在判定 菱形框54中泵速度反馈信号不等于设定点，算法则在方框56中设置为泵故障， 系统将采取其它的补救措施，而不是解冻冷冻液，例如阻止系统启动。如果判 定菱形框54中泵速度反馈信号等于设定点，算法将在判定菱形框58中确定冷 却液的水平是否良好，即，热子系统中是否有足够的冷却液。任何适用的技术 都可以用来确定冷却液的水平，例如水平开关、传感器等等。如果冷却液水平 低或冷却液完全被抽干，可能会导致当系统启动时冷却液温度不上升。如果在 判定菱形框58中的冷却液水平不好，那么算法在方框60中设置为冷却液故障， 其中系统除了解冻冷却液之外，还可能采取其它补救措施，例如阻止系统启动。

如果在判定菱形框58中冷却液水平良好，那么算法在判定菱形框62确定 冷却液预热曲线是否良好。算法通过从传感器32和34查看温度测量结果来确 定预热曲线是否良好，如上所述。如果温度测量曲线和由曲线46和48限定的 曲线相似，而不是与曲线42和44限定的曲线相似，那么预热曲线是不好的， 并且算法在方框46启动解冻模式。解冻模式旨在表示用于增加冷却液的温度的 任何适合过程，而不用堆以高功率工作，堆以高功率工作将产生大量废热并损 坏堆12。如果在判定菱形框62中预热曲线良好(意味着其和曲线42和44所示 的测量的温度相似)，那么算法在方框66中导致燃料电池系统10继续正常启动。

如果在判定菱形框52中环境温度不低于阈值(其中冷却液可能不会冻结或 粘稠)，那么算法在判定菱形框68中确定泵速度反馈是否被接收。在这一步， 算法要做的就是确定是否有数据流从泵28到热子系统控制器(未示出)，在某 些例子中，泵28可能不会与控制器正确对应，但泵28正常工作。如果控制器 在判定菱形框68中接收泵速度反馈(意味着数据流良好)，算法则在判定菱形 框70中确定泵速度反馈信号是否等于设定点。如果不等于，则在方框56中设 置为泵故障，这与在判定菱形框54处发生的方式一样。

如果在判定菱形框70中泵速度反馈信号等于设定点，那么算法在判定菱形 框72中确定冷却液水平是否良好，如果不良好，在方框60中设置为冷却剂故 障，这与在判定菱形框58中算法执行这些步骤的方式一样。如果在判定菱形框 72中的冷却液水平良好，那么算法通过从传感器32和34查看温度测量结果信 号(如在判定菱形框62中所做的)确定预热曲线是否良好。在这一步，如果预 热曲线不是良好的，算法在方框76中设置为冷却剂故障，而不是启动解冻模式， 这是因为即使其可不是冷却液水平，冷却液体流也可能存在一些其它的问题。 如果在判定菱形框74中预热曲线是良好的，那么算法在方框66中继续正常启 动程序。

如果在判定菱形框68中泵速度反馈信号没有被热子系统控制器接收，那么 算法在判定菱形框78中确定冷却液水平是否良好(与判定菱形框58中所做的 方式一样)，如果不良好，在方框76中设置为冷却液故障。如果在判定菱形框 78中的冷却液水平是良好的，那么算法在判定菱形框80中确定预热曲线是否是 良好的，如同在判定菱形框62中所做的。如果在判定菱形框80中预热曲线是 良好的，那么算法在方框66中继续正常启动，然而如果在判定菱形框80中不 良好，那么算法在方框82中设置为泵故障，这表明它不是冷却液的问题，而可 能是泵28有问题。

前述讨论仅公开和描述了本发明的示例性实施例。本领域普通技术人员将 从这样的讨论和附图以及权利要求容易地认识到，各种改变、修改和变化可以 在不背离如所附权利要求限定的本发明的精神和保护范围的情况下来进行。