燃料电池系统技术方案

一种启动燃料电池系统(100)的操作的方法，所述燃料电池系统包括燃料电池堆(HO)，所述方法包括以下步骤：i)打开阳极入口阀(153)，以允许燃料进入所述燃料电池堆(110)的阳极体积中；ii)操作与所述燃料电池堆(110)中的阴极空气入口(126)流体连通的空气压缩机(133)，以允许空气进入所述燃料电池堆(110)的阴极体积中；iii)监控所述阴极入口(126)和/或出口(121)的温度；和iv)一旦穿过所述阴极入口和/或出口的流体的温度超过预定水平，操作注水系统以将水注入到所述阴极体积中，其中，限制从所述燃料电池堆(110)流出的电流，以防止跨过所述燃料电池堆(110)中的一个或更多个测量的电压下降至低于所述第一电压阈值。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种燃料电池系统的操作方法以及与燃料电池系统相关的设备，并且具体地但不排他地，涉及用于启动燃料电池系统的操作的策略。
技术介绍
水是例如此处所述系统的形式的燃料电池系统的操作的组成部分，所述系统包括围绕质子交换膜(PEM)建立的燃料电池堆。从阳极流动路径通过PEM所传导的质子(氢离子)与存在于阴极流动路径中的氧反应产生水。过量的水需要从燃料电池堆中去除，以避免溢流并引起随之造成的性能退化。然而，需要至少在阴极流动路径中存在一定量的水以维持PEM的水合作用，以便实现燃料电池的最优化的性能。通过仔细权衡注入和去除来控制所述水，也可以提供用于从燃料电池堆中去除过量的热的有用机制。为了优化性能，可以通过注水到所述堆的阴极流动路径中在这种燃料电池系统内有意地利用水。与其他类型的采用分离的冷却通道的燃料电池系统相比，这种注水燃料电池系统潜在的优点是减小的尺寸和复杂度。如例如GB2409763中所示的示例，水可以通过水配送歧管直接注入到阴极流动路径中。对于注水系统，重要的是返回至阴极流动路径中的所有水是高纯度的，以便避免对PEM的污染和由此带来的堆性能的退化。然而，对高纯度的这种要求意味着，不能使用降低水的凝固点或冰点的添加物。尤其对于汽车领域，通常的要求包括从冰点以下(典型地低至-20°C)启动以复制燃料电池实际应用时使用的环境。因为高纯度水具有(TC冰点(在Ibar压强下)，假定有充足的时间任何残留在燃料电池系统中的水将在燃料电池停止之后冻结。燃料电池系统中的冰，尤其是阴极流动路径内的冰可能会阻止堆适当地操作，或者完全阻止堆操作。如果阴极流动路径的任何部分被冰阻塞，空气不能通过阴极，且燃料电池不能自加热到冰点以上。那么将需要加热整个堆的其他方法，这将会在燃料电池可以开始供应电能和自身加热之前，需要消耗外部电力。本专利技术的目的在于解决上面提到的一个或更多个的问题。
技术实现思路
在第一方面中，本专利技术提供了 一种启动燃料电池系统的操作的方法，所述燃料电池系统包括燃料电池堆，所述方法包括以下步骤:i)打开阳极入口阀，以允许燃料进入所述燃料电池堆的阳极体积中；ii)操作与所述燃料电池堆中的阴极空气入口流体连通的空气压缩机，以允许空气进入所述燃料电池堆的阴极体积中；iii)监控所述阴极入口和/或出口的温度；和iv) 一旦穿过所述阴极入口和/或出口的流体的温度超过预定水平，操作注水系统以将水注入到所述阴极体积中，其中，限制从所述燃料电池堆流出的电流，以防止跨过所述燃料电池堆中的一个或更多的电池测量的电压下降低于第一电压阈值。在第二方面中，本专利技术提供了一种燃料电池堆，所述燃料电池堆包括多个燃料电池，所述燃料电池堆的每一端部具有在电流收集器板和端板之间的加热器板，每个加热器板与各自的端板热绝缘。在第三方面中，本专利技术提供了一种燃料电池系统，所述燃料电池系统包括燃料电池堆和电控单元，所述电控单元配置成:i)打开阳极入口阀，以允许燃料进入所述燃料电池堆的阳极体积中；ii)操作与所述燃料电池堆的阴极空气入口流体连通的空气压缩机，以允许空气进入所述燃料电池堆的阴极体积；iii)监控所述阴极入口和/或出口的温度；和iv) 一旦穿过所述阴极入口和/或出口的流体的温度超过预定水平，操作注水系统，以将水注入到所述阴极体积；其中，所述电控单元配置成限制从所述燃料电池堆流出的电流，以防止跨过所述燃料电池堆中的一个或更多个电池测量的电压下降至低于第一电压阈值。在第四方面中，本专利技术提供了一种燃料电池系统，所述燃料电池系统包括燃料电池堆和电控单元，所述电控单元配置成调整所述燃料电池堆的操作参数，以基于所述燃料电池堆中的多个电池的电压输出的标准偏差优化所述燃料电池系统的操作。在第五方面中，本专利技术提供了一种优化燃料电池系统的方法，所述燃料电池系统包括燃料电池堆和电控单元，所述方法包括:将来自所述燃料电池堆中的多个电池中的每一个的电压输出的指示提供给所述电控单元；和基于来自所述多个电池的所述电压输出的标准偏差优化所述燃料电池系统的操作；其中，所述电控单元调节所述燃料电池堆的所述操作参数，以优化所述燃料电池系统的操作。附图说明现在将参照附图仅以举例的方式描述本专利技术，在附图中:图1示出在整个燃料电池系统内的多个部件的布置的示意图；图2示出燃料电池系统的示例性的电控系统的示意图；图3示出示例性的燃料电池堆的示意性的侧视图；图4a和4b示出用于燃料电池堆的示例性的加热器板的透视图；图5示出示例性的燃料电池堆的部分示意横截面视图；图6示出示例性的启动程序的示意流程图；和图7示出显示燃料电池系统的各个测量参数的一系列曲线。具体实施例方式图1示出了包括燃料电池堆110和其他相关部件的示例性燃料电池系统100的示意图。燃料电池堆Iio具有在其中通过的阴极流动路径，阴极流动路径包括空气入口 124，空气入口 124通向空气入口管线123并在阴极空气入口 126处进入所述堆。在通过燃料电池堆110内的内部阴极体积(未示出)之后，阴极流动路径从燃料电池堆110出来、进入阴极排出管线121、通过阴极排放管线122和排放截止阀120。在正常操作期间，排放截止阀120部分打开或完全打开。例如具有相关的冷却风扇139的热交换器130和水分离器(water separator) 131的不同部件可以连接到阴极流动路径中的阴极排出管线121和排放管线122或连接至其一部分。也可以设置温度传感器TX1、TX2、TX3、TX5和压力传感器PX2、PX3，其被连接到适合的位置上以监测阴极流动路径中的入口管线123和排出管线121。在本文中的术语“阴极系统”意图是要包括燃料电池系统100中的与燃料电池堆内部的阴极体积相关的部分。这些部分包括燃料电池中的各种内部部件(例如入口、出口、内部流动路径和水分配结构)和与阴极体积流体连通的部件(例如液体和气体的各种入口、出口、流通和排放管线)。术语“阴极流动路径”的意图是要包含包括从空气入口 124通过空气压缩机133、入口管线123、燃料电池堆110的阴极体积和阴极排出管线121的的流体流动路径的阴极系统的次级系统(subset)。术语“阳极系统”和“阳极流动路径”可以参考与阳极体积相关的燃料电池系统100的各个部件，进行类似地诠释。连接到阴极空气入口管线123的空气压缩机133给阴极流动路径提供压缩空气。其他部件，例如空气入口热交换器134、流量计135、一个或更多个空气过滤器136、137以及空气加热器138，可以设置在空气入口 124和燃料电池堆110之间的阴极入口管线123中。空气入口热交换器134可以用于连接冷却剂管线141、三通阀142以及温度传感器TX7，以便在燃料电池系统100操作期间用来自冷却剂管线141的冷却剂预热来自空气压缩机133的空气。通过空气入口热交换器134的冷却剂管线141形成分立的冷却回路，其配置成从压缩机133之后的空气流中抽取热量。这种冷却剂管线141优选在燃料电池堆110达到正常操作温度之后操作，以便避免在系统100启动期间从阴极空气入口管线123的空气入口流中抽取热量。可以通过使用阀142来实现管线141中的冷却剂的导流，从而允许控制是否输送冷却剂给热交换器134。因为冷却剂管线141与供给到阴极系本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种燃料电池系统(100)，包括燃料电池堆(110)和电控单元(230)，所述电控单元配置成调整所述燃料电池堆(110)的操作参数以基于所述燃料电池堆(110)中的多个电池的电压输出的标准偏差优化所述燃料电池系统(100)的操作，其特征在于，所述电控单元(230)配置成通过调整所述燃料电池堆的操作参数以减小下述函数来优化所述燃料电池系统(100)的操作f(σv,Pp)=ασv2+βPp2其中σv是所述多个电池的电压输出的标准偏差，Pp是寄生负载，和α，β是常数。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：阿什利·凯尔斯，保罗·阿德考克，彼得·戴维·胡德，斯科特·贝尔德，
申请(专利权)人：智慧能量有限公司，
类型：发明
国别省市：