燃料电池中的补救启动方法技术

本发明专利技术涉及燃料电池中的补救启动方法。具体地，描述了一种用于启动燃料电池系统的补救方法。该方法包括：确定是否需要补救方法；向燃料电池堆的废气提供空气；设定到燃料电池堆阳极侧的氢气流量；以所述氢气流量向燃料电池的阳极侧提供预定体积的氢气；在向阳极侧提供预定体积的氢气之后，向燃料电池堆的阴极侧提供预定体积的空气，同时继续向燃料电池堆的废气提供空气并向燃料电池堆的阳极侧提供氢气；在向阴极侧提供了预定体积的空气之后，确定电池堆电压是否稳定；以及，在电池堆电压稳定之后关闭阳极出口阀。

【技术实现步骤摘要】
补救启动方法
本专利技术总体上涉及燃料电池，更具体地说涉及燃料电池系统的启动方法。技术背景汽车用途的燃料电池系统的启动涉及可靠性、耐久性与直至可接受驶离的时间 (启动距离)之间的平衡。可靠性涉及确保在膜两侧的整个活性区域有足够的反应物，以便 可以支持全电流。这必须在不超过氢排放要求的情况下完成。还有一些因素，例如硬件布 局、硬件可靠性、或者各种环境条件(如温度、压力、和湿度)，也会影响用以成功启动燃料 电池系统的策略。耐久性涉及在阳极上的空气/ 锋面的适当缓和。经过电池的空气/ 锋面速度与 电池退化之间的关系已得到了确定。为了减小电池退化的影响，必须提高锋面速度。但是， 在汽车应用中，锋面速度的提高会受到氢排放要求以及由压缩机提供的可用稀释空气的限 制。在任何情况下，为了使顾客满意，期望减小启动距离。同样，这受到氢排放要求的 限制，并且由于反应物的不均勻流动特性，因此还要受到充分地且均勻地向电池堆活性区 域提供反应物的能力的限制。在正常启动中，对可靠性、耐久性、和启动距离的关注是大致相同的。在典型的启 动策略中，需要把系统内的初始气体成分当作给控制器的输入，以便系统可以决定以最优 化的方法来启动。附图说明图1 图2示出了燃料电池系统及正常启动方法的一个实施例。于2007年9月 21 日提交的、名称为Method for Fast and Reliable FuelCell Systems Start-ups(快速 及可靠的燃料电池系统启动方法)的、序列号为11/859，300的美国专利申请中更加全面地 描述了该系统及方法，该专利申请通过引用并入本文。许多其它的实施例是可能的。图1示出了包括第一分燃料电池堆(split fuel cell stack) 12和第二分燃料电 池堆14的燃料电池系统10。压缩机16通过常闭阴极输入阀20在阴极输入管路18上向 电池堆12和14提供阴极输入空气。阴极废气在管路M上从分电池堆12输出，并且阴极 废气在管路26上从分电池堆14输出，阴极废气在管路沈处并入单一的阴极输出管路观。 常闭阴极背压阀30控制阴极废气经过管路观的流动。输入管路18与输出管路观之间的 阴极旁通管路32允许阴极输入空气绕过电池堆12和14。常闭旁通阀34控制阴极空气是 否绕过电池堆12和14。如果阀20和30关闭并且阀34打开，那么来自压缩机16的空气将 会绕过电池堆12和14。通常，会在阴极输入管路18中的适当位置设置阴极加湿单元(未 图示)。在这种布置中，电池堆12和14采用了阳极流变换(anodeflow-shifting)，其中， 阳极反应气体以本领域技术人员熟知的方式以预定循环来回地流经电池堆12和14。喷射 器38将氢气从氢气源40经由阳极管路42喷射至分电池堆12，喷射器44以交替的顺序将 氢气从氢气源40经由阳极管路48喷射至分电池堆14。连接管路M使电池堆12的阳极侧与电池堆14的阳极侧相连。水分离器60联接到连接管路M，并且收集在电池堆12与电池堆14之间的阳极气 流中的水。可以利用周期性打开的常闭排水阀62在管路64上将水排到阴极废气管路28。 此外，可以在连接管路M中设置阳极废气排气阀66。如上所述，期望对电池堆12和14的阳极侧进行周期性排气，以去除否则可能会稀 释氢气并影响电池性能的氮气。为达到此目的而设置常闭排气阀50和52。当指令进行阳 极排气时，根据氢气的当前流动方向打开排气阀50或52，并将排出的阳极废气送到阴极废 气管路观。特别地，如果在触发排气时氢气正从气源40喷入分电池堆12，那么打开排气阀 52。同样，如果在触发排气时氢气正从气源40喷入分电池堆14，那么打开排气阀50。在 正常排气持续期间通常会发生数次流变换，使得排气阀50和52不得不随着流切换(flow switching)及时地开闭数次。燃料电池堆12和14产生电流。在正常的电池堆运行期间，由电池堆12和14产 生的电流用于驱动系统负荷，例如车辆上的电牵引系统(ETS)。在关闭程序期间，由电池堆 12和14产生的电流可以用于给电池58充电或者被其它系统部件消耗，然后被电阻68消^^ ο在一个系统关闭程序中，压缩机16停止，并且阀20和30关闭以密封电池堆12和 14的阴极侧。继续使氢气流动，以便将电池堆12和14中的任何剩余的氧气都消耗掉。由 电池堆12和14产生的电流被送至电池58。当电池堆功率下降到另一预定水平时，把接触 器打开，并将电池堆负荷切换到电阻68。特别地，一旦电压下降到固定的截止电压，就将电 池堆负荷切换到电阻68。截止电压可以是DC/DC转换器(未图示)的下限、或者功率器件 的下限。电池负荷的目的是消耗和/或存储任何否则会被浪费的能量。这也会降低电阻负 荷的能耗需求。一旦电池堆12和14中的氧气已被消耗掉，就关闭氢气流，并将阀50、52、62和66 关闭以密封电池堆12和14的阳极侧。当系统10以这种方式被关闭时，电池堆12和14在 阴极侧和阳极侧均包含队/吐混合物。随着时间的推移，空气会漏入电池堆12和14中，电 池堆12和14中的氢气将会开始消耗氧气。另外，氢气将会缓慢地从电池堆12和14泄漏 出。结果，电池堆12和14内的气体成分将会随着时间的推移在氮气中富氢混合物与水中 富氢混合物之间变为空气混合物。启动时用于吹扫电池堆12和14的氢气的量，可基于电池堆12和14的阳极侧的容 积、电池堆12和14的温度、以及电池堆12和14内的压力来计算。流入电池堆12和14中 的氢气应当大致为一倍阳极容积。如果不足量的氢气流入电池堆，那么在燃料电池的一些 中可能留有压/02锋面。如果有过多的氢气流入第一电池堆，那么过量的氢气就会浪费到废 气中，并且可能会通过压缩进入第二电池堆，从而产生会导致过分电压退化的停滞的氢气/ 空气锋面。计算电池堆12和14中每一个的循环容积，并且在启动期间将此信息与氢气流 量相结合来确定第一电池堆的吹扫时间。图2A 2B为流程图70，图中示出了特别是在冷启动期间用于快速及可靠地启动 燃料电池系统10的方法。在方框72中，为了氢气输出稀释目的而启动压缩机16。系统启动 的最初部分包括启动压缩机16，以给由于启动程序而收集在废气中的氢气提供稀释空气。 然后算法在决定菱形框74中确定电池堆12和14是否由于它们已经关闭的时间而充满了空气，如果充满空气，那么在方框76中利用集管吹扫来启动阳极集管的冲洗。这提供了在 电池堆冲洗之前从电池堆12和14的集管中去除空气和氮气的技术。在集管已经被吹扫之 后，电池堆冲洗可提供经过阳极流场的大流量氢气，从而使由于氢气/空气锋面所引起的 启动退化最小化，如上所述。然后在方框78中，算法通过打开排水阀62使阳极流继续，同时流到燃料电池堆 12和14中，以便继续用氢气填充阳极集管。在这个流动过程中，同时使用喷射器38和44， 以使氢气均勻地流动经过燃料电池堆12和14。在此阶段，所有的大阀都关闭以允许受控 良好且低流量的氢气喷射。打开的阀通常具有小孔。可替代地，可以使用脉冲宽度调制的 大阀来有效地提供小阀。通常基于燃料电池堆12和14的阳极出口压力来控制氢气喷射器 38和44。但是，在这种情况下，喷射器38和44将会本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于启动燃料电池系统的补救方法，包括：确定是否需要所述补救方法；向燃料电池堆的废气提供空气；设定到所述燃料电池堆的阳极侧的氢气流量；以所述氢气流量向所述燃料电池的阳极侧提供预定体积的氢气；在向所述阳极侧提供预定体积的氢气之后，向所述燃料电池堆的阴极侧提供预定体积的空气，同时继续向所述燃料电池堆的废气提供空气，并向所述燃料电池堆的阳极侧提供氢气；在向所述阴极侧提供了预定体积的空气之后，确定电池堆电压是否稳定；以及在所述电池堆电压稳定之后，关闭阳极出口阀。

【技术特征摘要】
US 2009-10-8 12/5756511.一种用于启动燃料电池系统的补救方法，包括 确定是否需要所述补救方法；向燃料电池堆的废气提供空气； 设定到所述燃料电池堆的阳极侧的氢气流量； 以所述氢气流量向所述燃料电池的阳极侧提供预定体积的氢气； 在向所述阳极侧提供预定体积的氢气之后，向所述燃料电池堆的阴极侧提供预定体积 的空气，同时继续向所述燃料电池堆的废气提供空气，并向所述燃料电池堆的阳极侧提供 氢气；在向所述阴极侧提供了预定体积的空气之后，确定电池堆电压是否稳定；以及 在所述电池堆电压稳定之后，关闭阳极出口阀。2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，用阳极到阳极的废气压力差来设定所述氢气流量。3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述氢气流量被控制为氢气排放废气目标。4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，用下列方程式来设定所述氢气流量γ Exh-Exh 'Vlv _ ^2 Air nH2 _ J __γ Exh Η2其中，为经过阀的期望氢气流量 ？^^为目标废气浓...

【专利技术属性】
技术研发人员：SE莱尔纳，A乔扈里，SG格贝尔，
申请(专利权)人：通用汽车环球科技运作公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]