專利名稱：燃料電池系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種燃料電池系統(tǒng)的操作方法以及與燃料電池系統(tǒng)相關(guān)的設(shè)備，并且 具體地但不排他地，涉及用于啟動燃料電池系統(tǒng)的操作的策略。
背景技術(shù)：
水是例如此處所述系統(tǒng)的形式的燃料電池系統(tǒng)的操作的組成部分，所述系統(tǒng)包括 圍繞質(zhì)子交換膜(PEM)建立的燃料電池堆。從陽極流動路徑通過PEM所傳導(dǎo)的質(zhì)子(氫離 子)與存在于陰極流動路徑中的氧反應(yīng)產(chǎn)生水。過量的水需要從燃料電池堆中去除，以避 免溢流并引起隨之造成的性能退化。然而，需要至少在陰極流動路徑中存在一定量的水以 維持PEM的水合作用，以便實(shí)現(xiàn)燃料電池的最優(yōu)化的性能。通過仔細(xì)權(quán)衡注入和去除來控 制所述水，也可以提供用于從燃料電池堆中去除過量的熱的有用機(jī)制。為了優(yōu)化性能，可以通過注水到所述堆的陰極流動路徑中在這種燃料電池系統(tǒng)內(nèi) 有意地利用水。與其他類型的采用分離的冷卻通道的燃料電池系統(tǒng)相比，這種注水燃料電 池系統(tǒng)潛在的優(yōu)點(diǎn)是減小的尺寸和復(fù)雜度。如例如GB2409763中所示的示例，水可以通過 水配送歧管直接注入到陰極流動路徑中。對于注水系統(tǒng)，重要的是返回至陰極流動路徑中的所有水是高純度的，以便避免 對PEM的污染和由此帶來的堆性能的退化。然而，對高純度的這種要求意味著，不能使用降 低水的凝固點(diǎn)或冰點(diǎn)的添加物。尤其對于汽車領(lǐng)域，通常的要求包括從冰點(diǎn)以下(典型地 低至-20°C)啟動以復(fù)制燃料電池實(shí)際應(yīng)用時(shí)使用的環(huán)境。因?yàn)楦呒兌人哂?°C冰點(diǎn)(在 Ibar壓強(qiáng)下)，假定有充足的時(shí)間任何殘留在燃料電池系統(tǒng)中的水將在燃料電池停止之后 凍結(jié)。燃料電池系統(tǒng)中的冰，尤其是陰極流動路徑內(nèi)的冰可能會阻止堆適當(dāng)?shù)夭僮?，?者完全阻止堆操作。如果陰極流動路徑的任何部分被冰阻塞，空氣不能通過陰極，且燃料電 池不能自加熱到冰點(diǎn)以上。那么將需要加熱整個(gè)堆的其他方法，這將會在燃料電池可以開 始供應(yīng)電能和自身加熱之前，需要消耗外部電力。本發(fā)明的目的在于解決上面提到的一個(gè)或更多個(gè)的問題。
發(fā)明內(nèi)容
在第一方面中，本發(fā)明提供了一種啟動燃料電池系統(tǒng)的操作的方法，所述燃料電 池系統(tǒng)包括燃料電池堆，所述方法包括以下步驟i)打開陽極入口閥，以允許燃料進(jìn)入所述燃料電池堆的陽極體積中；ii)操作與所述燃料電池堆中的陰極空氣入口流體連通的空氣壓縮機(jī)，以允許空 氣進(jìn)入所述燃料電池堆的陰極體積中；iii)監(jiān)控所述陰極入口和/或出口的溫度；和iv) 一旦穿過所述陰極入口和/或出口的流體的溫度超過預(yù)定水平，操作注水系 統(tǒng)以將水注入到所述陰極體積中，
其中，限制從所述燃料電池堆流出的電流，以防止跨過所述燃料電池堆中的一個(gè) 或更多的電池測量的電壓下降低于第一電壓閾值。在第二方面中，本發(fā)明提供了一種燃料電池堆，所述燃料電池堆包括多個(gè)燃料電 池，所述燃料電池堆的每一端部具有在電流收集器板和端板之間的加熱器板，每個(gè)加熱器 板與各自的端板熱絕緣。在第三方面中，本發(fā)明提供了一種燃料電池系統(tǒng)，所述燃料電池系統(tǒng)包括燃料電 池堆和電控單元，所述電控單元配置成i)打開陽極入口閥，以允許燃料進(jìn)入所述燃料電池堆的陽 極體積中；ii)操作與所述燃料電池堆的陰極空氣入口流體連通的空氣壓縮機(jī)，以允許空氣 進(jìn)入所述燃料電池堆的陰極體積；iii)監(jiān)控所述陰極入口和/或出口的溫度；和iv) 一旦穿過所述陰極入口和/或出口的流體的溫度超過預(yù)定水平，操作注水系 統(tǒng)，以將水注入到所述陰極體積；其中，所述電控單元配置成限制從所述燃料電池堆流出的電流，以防止跨過所述 燃料電池堆中的一個(gè)或更多個(gè)電池測量的電壓下降至低于第一電壓閾值。在第四方面中，本發(fā)明提供了一種燃料電池系統(tǒng)，所述燃料電池系統(tǒng)包括燃料電 池堆和電控單元，所述電控單元配置成調(diào)整所述燃料電池堆的操作參數(shù)，以基于所述燃料 電池堆中的多個(gè)電池的電壓輸出的標(biāo)準(zhǔn)偏差優(yōu)化所述燃料電池系統(tǒng)的操作。在第五方面中，本發(fā)明提供了一種優(yōu)化燃料電池系統(tǒng)的方法，所述燃料電池系統(tǒng) 包括燃料電池堆和電控單元，所述方法包括將來自所述燃料電池堆中的多個(gè)電池中的每一個(gè)的電壓輸出的指示提供給所述 電控單元；和基于來自所述多個(gè)電池的所述電壓輸出的標(biāo)準(zhǔn)偏差優(yōu)化所述燃料電池系統(tǒng)的操 作；其中，所述電控單元調(diào)節(jié)所述燃料電池堆的所述操作參數(shù)，以優(yōu)化所述燃料電池 系統(tǒng)的操作。
現(xiàn)在將參照附圖僅以舉例的方式描述本發(fā)明，在附圖中圖1示出在整個(gè)燃料電池系統(tǒng)內(nèi)的多個(gè)部件的布置的示意圖；圖2示出燃料電池系統(tǒng)的示例性的電控系統(tǒng)的示意圖；圖3示出示例性的燃料電池堆的示意性的側(cè)視圖；圖4a和4b示出用于燃料電池堆的示例性的加熱器板的透視圖；圖5示出示例性的燃料電池堆的部分示意橫截面視圖；圖6示出示例性的啟動程序的示意流程圖；和圖7示出顯示燃料電池系統(tǒng)的各個(gè)測量參數(shù)的一系列曲線。
具體實(shí)施例方式圖1示出了包括燃料電池堆110和其他相關(guān)部件的示例性燃料電池系統(tǒng)100的示意圖。燃料電池堆Iio具有在其中通過的陰極流動路徑，陰極流動路徑包括空氣入口 124， 空氣入口 124通向空氣入口管線123并在陰極空氣入口 126處進(jìn)入所述堆。在通過燃料 電池堆110內(nèi)的內(nèi)部陰極體積(未示出)之后，陰極流動路徑從燃料電池堆110出來、進(jìn) 入陰極排出管線121、通過陰極排放管線122和排放截止閥120。在正常操作期間，排放截 止閥120部分打開或完全打開。例如具有相關(guān)的冷卻風(fēng)扇139的熱交換器130和水分離 器(water separator) 131的不同部件可以連接到陰極流動路徑中的陰極排出管線121和 排放管線122或連接至其一部分。也可以設(shè)置溫度傳感器TX1、TX2、TX3、TX5和壓力傳感 器PX2、PX3，其被連接到適合的位置上以監(jiān)測陰極流動路徑中的入口管線123和排出管線 121。在本文中的術(shù)語“陰極系統(tǒng)”意圖是要包括燃料電池系統(tǒng)100中的與燃料電池堆 內(nèi)部的陰極體積相關(guān)的部分。這些部分包括燃料電池中的各種內(nèi)部部件(例如入口、出口、 內(nèi)部流動路徑和水分配結(jié)構(gòu))和與陰極體積流體連通的部件(例如液體和氣體的各種入 口、出口、流通和排放管線)。術(shù)語“陰極流動路徑”的意圖是要包含包括從空氣入口 124通 過空氣壓縮機(jī)133、入口管線123、燃料電池堆110的陰極體積和陰極排出管線121的的流 體流動路徑的陰極系統(tǒng)的次級系統(tǒng)(subset)。術(shù)語“陽極系統(tǒng) ”和“陽極流動路徑”可以參 考與陽極體積相關(guān)的燃料電池系統(tǒng)100的各個(gè)部件，進(jìn)行類似地詮釋。連接到陰極空氣入口管線123的空氣壓縮機(jī)133給陰極流動路徑提供壓縮空氣。 其他部件，例如空氣入口熱交換器134、流量計(jì)135、一個(gè)或更多個(gè)空氣過濾器136、137以及 空氣加熱器138，可以設(shè)置在空氣入口 124和燃料電池堆110之間的陰極入口管線123中。 空氣入口熱交換器134可以用于連接冷卻劑管線141、三通閥142以及溫度傳感器TX7，以 便在燃料電池系統(tǒng)100操作期間用來自冷卻劑管線141的冷卻劑預(yù)熱來自空氣壓縮機(jī)133 的空氣。通過空氣入口熱交換器134的冷卻劑管線141形成分立的冷卻回路，其配置成從 壓縮機(jī)133之后的空氣流中抽取熱量。這種冷卻劑管線141優(yōu)選在燃料電池堆110達(dá)到正 常操作溫度之后操作，以便避免在系統(tǒng)100啟動期間從陰極空氣入口管線123的空氣入口 流中抽取熱量。可以通過使用閥142來實(shí)現(xiàn)管線141中的冷卻劑的導(dǎo)流，從而允許控制是 否輸送冷卻劑給熱交換器134。因?yàn)槔鋮s劑管線141與供給到陰極系統(tǒng)的水分開，所以對高 純水的要求是不一樣的。因此在冷卻劑管線141中所使用的冷卻劑可以包括例如乙二醇的 添加劑以降低所使用的冷卻劑的凝固點(diǎn)或冰點(diǎn)。通常為氣態(tài)氫形式的燃料經(jīng)由減壓閥151和激勵(lì)閥152(優(yōu)選為通常是關(guān)閉的電 磁激勵(lì)閥)進(jìn)入燃料電池系統(tǒng)。當(dāng)燃料供給150為氣態(tài)氫形式時(shí)，其通常遠(yuǎn)離燃料電池系統(tǒng) 設(shè)置，例如是朝向車輛后部的加壓罐的形式。另一電磁激勵(lì)閥153和減壓閥154可以設(shè)置 為較靠近燃料供給150和燃料電池堆110的陽極入口 156之間的陽極流動路徑的燃料入口 管線155中的燃料電池堆110。因此，提供通向或?qū)蜿枠O入口 156的兩組分開的閥，一組 閥151、152靠近罐，另一組閥153、154較靠近燃料電池堆110，其中中間加壓燃料管線119 位于它們之間。減壓閥154將干的燃料氣體壓力調(diào)節(jié)到適于引入到燃料電池堆110中的水 平。減壓閥154優(yōu)選是已經(jīng)施加預(yù)置壓力設(shè)定的被動裝置，但是也可以使用主動控制裝置。 可選地，如圖1所示，例如在增壓燃料管線119中、閥153之前設(shè)置燃料加熱器145，或者替 換地，在燃料入口管線155中、減壓閥154之前或之后設(shè)置燃料加熱器。在陽極出口管線165上設(shè)置另一激勵(lì)閥161。每個(gè)激勵(lì)閥152、153、161可以設(shè)置有局部加熱器元件，以根據(jù)需要給閥除霜，但是通過流過螺線管的電流的通過對閥152、153、 161的激勵(lì)將提供一定程度的加熱。優(yōu)選地，每個(gè)激勵(lì)閥152、153、161被配置成是失效防護(hù) 或故障自動保險(xiǎn)的，即當(dāng)通過流過螺線管的電流進(jìn)行激勵(lì)時(shí)才打開閥。為了監(jiān)測并釋放陽極流動路徑內(nèi)的燃料壓力，可以設(shè)置壓力傳感器PXl和/或壓 力釋放閥157。優(yōu)選地，壓力釋放閥157設(shè)置成當(dāng)陽極流動路徑中的壓力超過安全操作水平 時(shí)打開并且通過壓力釋放排放管線158從陽極流動路徑排出流體。在陽極出口管線165中可以設(shè)置另一可手動操作的閥162，該閥162例如在維修期 間被使用，以確保陽極流動路徑的減壓。在燃料電池堆110的陽極流動路徑中會發(fā)生水積 累(Water build-up)，例如水從陰極側(cè)通過質(zhì)子交換膜PEM擴(kuò)散導(dǎo)致的水積累。從而，陽 極排水分離器163可以設(shè)置在陽極排放管線164中，以分離排放管線164中存在的所有水。 這些水可以被排掉或可選地被再循環(huán)。在燃料電池堆110的操作期間，閥161通常保持關(guān) 閉，并且間歇地打開以從陽極流體路徑排出所有積累的水。在燃料電池堆110中設(shè)置陰 極注水入口 127，入口 127連接到陰極注水管線125。 陰極注水管線125可以沿其整個(gè)長度或部分長度進(jìn)行加熱，并且在水保持容器140和陰極 注水入口 127之間延伸?？梢栽O(shè)置加熱器129以提供熱量到管線125的特定區(qū)域，以加熱 朝向陰極注水入口 127通過注入管線125的水。另一壓力傳感器PX4可以設(shè)置在陰極注水 管線125上，以便在操作期間監(jiān)測管線125上的回壓(back-pressure)。來自陰極排出管線121的水被水泵132 (可選地其設(shè)置有加熱器143)抽吸，通過 水返回管線128朝向水保持容器140。來自燃料電池系統(tǒng)100的過量的水通過水溢出管線 144被排出水保持容器140。陽極出口電磁閥161配置用以調(diào)整從燃料電池堆110排放的飽和氣體和液體流。 與陽極入口電磁閥153 —樣，陽極出口電磁閥161用電控制，且可以被打開或關(guān)閉，優(yōu)選地， 當(dāng)沒有供電時(shí)是關(guān)閉的。當(dāng)閥161經(jīng)受液體/飽和氣體流時(shí)，在系統(tǒng)100關(guān)閉時(shí)液滴可以 出現(xiàn)在閥的周圍。如果系統(tǒng)之后被經(jīng)受零度以下的周圍條件或環(huán)境條件，那么閥161會被 凍結(jié)而關(guān)閉。僅給閥通電通常不足以解除冰，因此可能需要結(jié)合通過加熱器元件166的外 部加熱和使用由于通電的線圈帶來的內(nèi)部加熱。優(yōu)選地，加熱器166配置成施加熱量給陽極出口電磁閥161和陽極出口水分離器 163。加熱器166可以包括正溫度系數(shù)(PTC)加熱元件，其被調(diào)整至適合的溫度范圍。陽極 出口管線水分離器163配置用以從來自燃料電池堆110的陽極出口 159的混合的氣體和液 體排放流分離水。優(yōu)選地，陽極出口管線水分離器163配置成使得通過陽極水排放管線167 的水不包含在排放水中的氣泡形式的飽和氣體，以便最小化在陽極水排放中產(chǎn)生潛在的爆 炸性混合物的風(fēng)險(xiǎn)。剩余的燃料氣體可以被重新循環(huán)返回至陽極入口 156中。圖1中顯示的陽極系統(tǒng)的配置還可以用于檢測燃料電池堆110中的泄漏。打開陽 極入口電磁閥153的同時(shí)，將陽極出口電磁閥161和旁通閥165保持關(guān)閉，允許一定量的氣 體進(jìn)入到燃料電池堆110的陽極體積中。然后關(guān)閉陽極入口電磁閥153，并且通過壓力傳感 器PXl監(jiān)測在一段時(shí)間內(nèi)陽極入口 156處的壓力。將作為時(shí)間函數(shù)的壓力與預(yù)先校準(zhǔn)的表 示由于質(zhì)子傳導(dǎo)通過PEM造成的燃料損失的曲線相比較，允許對由于燃料電池堆或陽極流 動路徑中相關(guān)部件中的泄漏所造成的任何額外的損失進(jìn)行診斷。當(dāng)產(chǎn)生熱量同時(shí)閥被通電，在零度以下的操作期間，優(yōu)選地所采用的控制策略將其考慮在內(nèi)。雖然假定閥可以在系統(tǒng)在零度以下的條件啟動時(shí)被立即打開是不現(xiàn)實(shí)的，但 是打開閥所需要的時(shí)間應(yīng)當(dāng)被最小化。在陽極入口管線155上的壓力換能器PXl可以用于 監(jiān)測陽極出口閥161的打開和關(guān)閉，并且一旦換能器PXl指示閥161正確地操作，那么操作 策略可以由此從內(nèi)部升溫變成正常操作。因?yàn)殛枠O出口閥161通常是關(guān)閉的，所以如果閥 161被打開，那么壓力換能器將指示(register)壓力的降低。如果由于冰形成積累閥的打 開被阻止，則這可以通過通電的閥161上沒有壓力降低而指示。因此控制策略可以配置成 應(yīng)用另外的加熱給閥161，直至通電的閥161上指示壓力降低。為了釋放陽極流動路徑中燃料的壓力，可以提供壓力釋放閥157。優(yōu)選地，壓力釋 放閥157設(shè)定成，在陽極流動路徑中的壓力超過安全操作水平時(shí)打開并通過壓力釋放排放 管線158排放來自陽極流動路徑的流體?？梢酝ㄟ^使用校準(zhǔn)的壓力換能器并根據(jù)燃料電池 堆110的額定壓力離線設(shè)定安全操作水平。可以在陽極出口管線165中設(shè)置另外的手動的 操作閥162，這種閥162例如在維修 期間使用，以確保陽極流動路徑的減壓。例如可能由于水從陰極側(cè)通過PEM的擴(kuò)散而在燃 料電池堆110的陽極流動路徑中發(fā)生水的積累。因此，可以在陽極排放管線164中設(shè)置陽 極排放水分離器163，以分離排放管線164中存在的任何水。這種水可以被排放或優(yōu)選地被 重新循環(huán)。在燃料電池堆110的操作中，閥161通常保持關(guān)閉，而僅被間斷地打開以排放來 自陽極流體路徑的任何積累水。在燃料電池堆110中設(shè)置陰極注水入口 127，入口 127連接至陰極注水管線125。 可以沿著陰極注水管線125長度的一部分或整個(gè)長度加熱陰極注水管線125，且陰極注水 管線125在水保持容器140和陰極注水入口 127之間延伸?？梢栽O(shè)置加熱器129以提供熱 量給管線125的特定區(qū)域，以加熱通過注入管線125朝向陰極注水入口 127的水。在陰極 注水管線125上可以設(shè)置另外的壓力傳感器PX4，以便在操作期間監(jiān)測管線125上的回壓。來自陰極出口管線121的水用可選擇地設(shè)置有加熱器143的水泵132進(jìn)行抽吸， 通過水返回管線128朝向水保持容器140。過量的水通過水溢流管線144從燃料電池系統(tǒng) 100排出到水保持容器140的外面。在共同在審的具有與本申請相同的申請日的GB(英國) 申請“Fuel cell system”中具有對水保持容器的其他或更多的細(xì)節(jié)。圖2顯示與圖1中的燃料電池堆110相關(guān)的示例性電控系統(tǒng)200的示意圖。電力 輸出裝置201、202連接至電力負(fù)載260，其代表包括電動機(jī)以及其它的用電部件的汽車系 統(tǒng)的各個(gè)部件。當(dāng)在啟動期間施加至負(fù)載260的電流增大時(shí)，來自于外部電源(例如電池 或在靜態(tài)應(yīng)用中主衍生電源)的電流可以被相應(yīng)地減小，以保持負(fù)載260要求的電流。燃 料電池堆110中的單個(gè)電池的電壓經(jīng)由電連接從所述堆110輸出至每個(gè)雙極板，電壓在多 個(gè)電壓線路220上輸出。來自每個(gè)電池的電壓的指示經(jīng)由復(fù)用器205輸入到微控制器210?？梢越?jīng)由到包含到單個(gè)燃料電池雙極板設(shè)計(jì)中的側(cè)片的連接，測量燃料電池堆 110的每個(gè)電池的電壓輸出。側(cè)片可以成陽連接器或插頭的形式，從而允許使用推動配合陰 連接器或陰連接器，例如在汽車應(yīng)用中通常使用的扁形連接器或鏟型連接器(spade-type connector)。這種連接類型適合于高水平的振動?？梢酝ㄟ^在復(fù)用器205中使用一系列的 差分放大器可以相對于限定的零點(diǎn)確定每個(gè)電池的電壓。多重的(multiplexed)電壓指示 被輸入到微處理器210。微處理器210配置成評估燃料電池堆110中的每一個(gè)電池的電壓，并且控制配置用以驅(qū)動兩個(gè)輸出線路211、212的兩個(gè)數(shù)字繼電器的動作。數(shù)字繼電器可以一體地形成 或集成到微控制器210中，其被控制以指示燃料電池堆110中的一個(gè)或更多個(gè)電池的電壓 (如在電壓線路220上提供的電壓)是否下降到特定的設(shè)置閾值電壓值以下。為了故障安 全防護(hù)用途(例如在錯(cuò)誤連接的情形中)，微處理器210配置成僅當(dāng)燃料電池堆中的所有 電池超過各自的電壓閾值水平時(shí)，將每個(gè)輸出線路設(shè)定為高水平。因此，被保持高水平的線 路211、212都指示所述堆的操作的“健康”狀態(tài)。微處理器210配置成將數(shù)字繼電器設(shè)定 成在不同的電壓閾值水平觸發(fā)第一電壓閾值指示故障條件，第二電壓閾值指示警告條件。 通常，第二電壓閾值高于第一電壓閾值。這些電壓閾值可以經(jīng)由微處理器210的軟件接口 進(jìn)行設(shè)定。因此，分別對應(yīng)于第一和第二電壓閾值的輸出線路211、212上的數(shù)字信息可以 被燃料電池的電控系統(tǒng)200使用以調(diào)節(jié)通過輸出連接201、202流出的電流和調(diào)節(jié)諸如空氣 流速的參數(shù)，以便主動地改善燃料電池堆110的健康度和耐用性。第一和第二電壓水平的 典型值分別是約0. 4V和0. 6V，但是這些值可以依賴于包括所述堆上的可接受的負(fù)載和熱 平衡的各種因素進(jìn)行改變。電池電壓閾值信息的使用是確保燃料電池安全操作的有效方式，因?yàn)橥ǔＭㄟ^一 個(gè)或更多的電池具有低壓輸出可以顯示許多不同的可恢復(fù)的故障。優(yōu)選地，性能最差的電 池的電壓水平被 用于確定在輸出線路211、212上設(shè)定的水平。在由被設(shè)定為低水平的輸出線路212指示的報(bào)警條件的情形中，可以逐步調(diào)整燃 料電池堆110的控制參數(shù)，或限制燃料電池電流負(fù)載，直到被設(shè)定為高水平的輸出線路212 指示報(bào)警結(jié)束。在被設(shè)定為低水平的輸出線路211指示的故障條件的情形下，，例如通過斷 開安裝在燃料電池堆110和電力負(fù)載260之間的電接觸器(未顯示)可以暫時(shí)地中斷負(fù)載 260與燃料電池堆110的連接。之后一旦通過微控制器設(shè)定輸出線路211為高水平指示，故 障情形已經(jīng)消除，那么負(fù)載260可以被再次連接?？梢杂糜布容^器來替換微控制器210，用以確定電池電壓是否低于預(yù)置的閾值 水平。因此去除了軟件的水平，從而提高了方法的可靠性。當(dāng)考慮到整個(gè)系統(tǒng)200的響應(yīng) 的速度和認(rèn)證時(shí)，這可能是尤其有利的。除了數(shù)字繼電器的作用之外，微控制器210還可以配置用以在CAN(控制器局域網(wǎng) 絡(luò))240上發(fā)布電池電壓數(shù)據(jù)信息。CAN允許經(jīng)由例如外部計(jì)算機(jī)250和/或燃料電池電控 單元(E⑶)230的適當(dāng)硬件從電壓線路220來監(jiān)控和/或記載燃料電池堆110的電壓的曲 線。與優(yōu)化燃料電池系統(tǒng)操作相關(guān)的各種函數(shù)可以包含到ECU中，同時(shí)經(jīng)由CAN上可用的 信息外部計(jì)算機(jī)可以用于燃料電池系統(tǒng)的測試和詳細(xì)的診斷。通過與已知的曲線對比，電池電壓曲線數(shù)據(jù)可以用于改善燃料電池對時(shí)間和在不 同條件下的效率和性能。例如，在整個(gè)燃料電池堆上的電池電壓分布在堆110的邊緣處較 低而在堆110的中央處升高通常表示燃料電池堆110是冷的或正在受到太多的冷卻。相反 的情形，即在朝向堆110的中心電壓水平下降時(shí))說明燃料電池堆110是熱的或受到太少 的冷卻。前者的情形可以通過降低冷卻水平和/或提供熱量至所述堆110的端部進(jìn)行修復(fù)， 而后者的情形可以通過提高冷卻水平和/或降低施加至所述堆110的端部的熱水平進(jìn)行修 復(fù)。E⑶可以配置成以設(shè)定的時(shí)間間隔(通常每100ms)監(jiān)控燃料電池堆110的電壓水平。 對于燃料電池行為的診斷和優(yōu)化，還可以以較長的時(shí)間間隔(通常為分鐘或小時(shí)的量級) 對電壓水平實(shí)施監(jiān)控，且目標(biāo)在于最大化燃料電池堆的壽命，而不是優(yōu)化其即刻的操作效率。陰極入口和/或出口的溫度優(yōu)選通過例如E⑶230的燃料電池系統(tǒng)控制器進(jìn)行監(jiān) 測。這種監(jiān)測可以包括，例如通過溫度傳感器TX2、TX3的方式獲得陰極入口和/或出口流 的實(shí)際溫度測量值。陽極出口溫度也可以例如通過陽極出口管線165上的溫度傳感器的方 式進(jìn)行監(jiān)控。替代地或附加地，通過結(jié)合其它燃料電池參數(shù)的測量值和燃料電池堆110的 已知的預(yù)定熱行為模型可以間接地監(jiān)控陰極入口和/或出口的溫度。這些參數(shù)可以例如是 時(shí)間和隨時(shí)間流出的電流?？紤]燃料電池堆的已知的熱行為允許燃料電池控制器230間接 地確定穿過燃料電池堆110的陰極流動路徑在什么點(diǎn)達(dá)到開始注水所需要的最小溫度。例 如熱行為模型包括諸如對于一個(gè)溫度范圍熱量損失到周圍環(huán)境的速率和對于一個(gè)流出電 流的范圍燃料電池堆中的加熱作用或升溫效應(yīng)(heating effect)的參數(shù)。通過將隨時(shí)間 流出的電流的測量以及由于諸如端部板加熱器330a、330b的部件造成的任何附加的加熱 作用或升溫效應(yīng)結(jié)合，同時(shí)考慮在這一時(shí)間段上從所述堆110損失的熱量，可以計(jì)算對陰 極流體流動路徑中的溫度的估算。 因此，在一般意義上，監(jiān)控陰極入口和/或出口的溫度可以包括實(shí)施陰極入口和/ 或出口流的溫度測量。監(jiān)控陰極入口和/或出口的溫度可以包括使用隨時(shí)間從燃料電池堆 流出的電流的測量值來計(jì)算對陰極入口和/或出口流的估算。優(yōu)選地，后一方法考慮燃料 電池堆110的預(yù)定的熱學(xué)模型。對于電池電壓信息的其他的用途是通過使用優(yōu)化的算法，尋求使燃料電池健康度 和整體系統(tǒng)效率最大化。優(yōu)化算法應(yīng)當(dāng)不要求所述系統(tǒng)的機(jī)構(gòu)信息并且布置成基于相關(guān)標(biāo) 準(zhǔn)的最終值提供解決方案。在簡化的形式中，優(yōu)化可以減小，且優(yōu)選地最小化下述代價(jià)函 數(shù)/{σν,Ρρ) = ασΙ+βΡ2ρ其中，σν是多個(gè)電池的電壓輸出的標(biāo)準(zhǔn)偏差，Pp是寄生負(fù)載，0，β是常數(shù)。可 替代地，優(yōu)化算法可以單獨(dú)使用電池電壓輸出的標(biāo)準(zhǔn)偏差，從而使其減小或最小化以優(yōu)化 所述堆110的輸出。通常，通過獲得包括電壓線路220上電池電壓分布的燃料電池系統(tǒng)數(shù)據(jù)的抽點(diǎn)以 預(yù)定間隔計(jì)算上述代價(jià)。在特定范圍中，燃料電池堆的單個(gè)電池電壓的標(biāo)準(zhǔn)偏差依賴于所 述系統(tǒng)的空氣化學(xué)計(jì)量。在這種情形中，系統(tǒng)的化學(xué)計(jì)量是指燃料電池堆110陰極體積中 可用的、與被供給到陽極體積中的燃料的量反應(yīng)所需的量相比的氧的摩爾量。氧和氫的化 學(xué)計(jì)量平衡由下面的整個(gè)反應(yīng)來表示2Η2+02 — 2Η20對于根據(jù)上述方程的化學(xué)計(jì)量平衡，兩倍摩爾的氫氣需要一倍摩爾的氧氣。因此， 陰極化學(xué)計(jì)量2表示當(dāng)一定中時(shí)，通過陰極系統(tǒng)氧氣O2的摩爾數(shù)量與進(jìn)入陽極系統(tǒng)的氫氣 H2的摩爾數(shù)量相同。通常，需要化學(xué)計(jì)量至少為2，以在通常是封閉的陰極系統(tǒng)中保持反應(yīng) 效率。在開放的陰極系統(tǒng)中，化學(xué)計(jì)量可以高達(dá)50，即表示存在25倍的氫氣摩爾量的氧氣 可以利用。通常，朝富氧平衡增大化學(xué)計(jì)量導(dǎo)致總的燃料電池堆性能的提高和燃料電池電 壓標(biāo)準(zhǔn)偏差的減小。然而，為了實(shí)現(xiàn)可利用氧含量的提高，需要提高由于所使用的空氣傳送 方法(通常是空氣壓縮機(jī)133)帶來的寄生負(fù)載。因此，優(yōu)選地使上述的代價(jià)函數(shù)平衡，以 便在寄生負(fù)載和燃料電池堆電壓輸出配電之間實(shí)現(xiàn)合適的平衡。
燃料電池堆的寄生負(fù)載可以由在操作期間燃料電池系統(tǒng)100的一個(gè)或更多的部 件消耗的電力的測量值來表示。因此，寄生負(fù)載的測量值可以通過提供至空氣壓縮機(jī)133、 加熱器板330 (下文更加詳細(xì)地描述的)和用于升高陰極和陽極入口流溫度的加熱器138 和145中的一個(gè)或更多個(gè)的電流測量值來確定。由空氣壓縮機(jī)133所消耗的輔助電力的測 量值可以表示寄生載荷的原理測量值，因?yàn)樗鲚o助電力測量值控制燃料電池堆110中的 氣體的化學(xué)計(jì)量平衡。例如通過測量空氣壓縮機(jī)133和/或其它電力操作的裝置(例如泵、 閥、傳感器、致動器和控制器)所流出的電流可以獲得上述測量值?？諝鈮嚎s機(jī)133可以由 高壓電源來供電，在該情形中從所述電源流出的電流的測量值可以提供必要的指示。通常從初始條件開始，優(yōu)化程序以設(shè)定的時(shí)間間隔(例如每一分鐘)更新陰極 (空氣)化學(xué)計(jì)量設(shè)定點(diǎn)。這允許系統(tǒng)根據(jù)不同的環(huán)境條件(例如環(huán)境壓力(例如海拔) 的變化或溫度和堆的健康度(例如由于老化帶來的堆的劣化))逐步優(yōu)化。為了幫助燃料電池系統(tǒng)100從零度以下的周圍溫度啟動，可能需要下述特征中的 一些或全部
i)加熱的氫氣出口閥161 (排放閥)和水分離器/收集器163 (在圖1中示出)；ii)用于升高陰極和陽極入口流的溫度的加熱器138、145 ；iii)用以升高燃料電池中的電流收集器的溫度的加熱器330(在下文進(jìn)一步地參 考圖3、4a和4b描述的)；iv)可用于引入至燃料電池堆的液態(tài)水的源(例如水保持容器140(圖1))；ν)用于運(yùn)輸液態(tài)水的管線(包括注水管線125和排水管線128 (圖1))的跟蹤加 熱(trace heating)；禾口vi)燃料電池注水入口 127周圍區(qū)域的加熱。示例性的啟動程序具體細(xì)節(jié)如下。首先，空氣壓縮機(jī)133被啟動，且被設(shè)定以提 供固定流速至燃料電池堆陰極空氣入口 126。對于具有200平方厘米有效面積的燃料電池 堆，可以根據(jù)獲得80A或更大的電流設(shè)定點(diǎn)所需流量來設(shè)定所需的流量。在此之后是水管 線125、128的加熱、氫氣出口閥161、燃料電池堆電流收集器320a、320b (將結(jié)合圖3進(jìn)行描 述)以及水分離器131和水保持容器140之間的回水泵(scavenge pump) 132。陰極和陽極 入口管線123、155上的加熱器被激勵(lì)，使得在陰極空氣入口 126和陽極燃料入口 156處的 氣體流的入口溫度優(yōu)選在5和10°C。當(dāng)從零度以下的環(huán)境條件啟動時(shí)，每個(gè)流的溫度被調(diào) 整至最大值10°C，以便確保在燃料電池堆的頂部(通常引入氣體的位置)處的水不會被太 快速地解凍并隨后在燃料電池堆的可能仍處于冰點(diǎn)以下的下部分中凍結(jié)。由此，使用氣體 至少部分地加熱陰極和陽極流體路徑至某一程度，使得燃料電池堆不會導(dǎo)致經(jīng)由注水入口 127注入到所述堆中的水凍結(jié)。之后，激勵(lì)陽極入口閥153和排放閥161。在這一啟動狀態(tài)中，通過重復(fù)地激勵(lì)放 氣閥161來激起對放氣閥的積極的行動，以通過由重復(fù)的激勵(lì)所引起的振動來促進(jìn)閥內(nèi)的 自加熱以解凍和除去可能妨礙閥的即刻打開的任何少量的冰的積累。直到陰極入口和出口溫度高于至少5°C，燃料電池堆在不經(jīng)由陰極的注水進(jìn)行冷 卻/加濕的條件下運(yùn)行。這是用于確保通過陰極注水入口引入水不會導(dǎo)致在燃料電池堆 110的陰極體積中形成冰。燃料電池ECU控制從所述堆110流出的電流。設(shè)定可以流出的所述電流上限，之后燃料電池ECU指示應(yīng)當(dāng)從燃料電池中流出什么電流。該電流極值在零和電流上限之間， 且由ECU設(shè)定。該電流極值應(yīng)當(dāng)小于或等于燃料電池的額定電流。對于更快速的啟動，燃 料電池E⑶230可以設(shè)定從燃料電池堆110中流出的電流和在數(shù)字線路211、212上設(shè)定的 值允許的一樣高。燃料電池ECU 230連續(xù)地監(jiān)控燃料電池堆110的健康度，并且由此施加 或移除負(fù)載260。通常以相對于時(shí)間固定的速率施加和移除負(fù)載260，通常使得以高于沒有 超過報(bào)警閾值時(shí)電流的增大速率的速率減小電流(即在發(fā)生超過電壓報(bào)警閾值時(shí))。增大 燃料電池電流使得根據(jù)目標(biāo)控制線路增大電流，且直到到達(dá)燃料電池堆110的額定電流為 止。然而，如果一個(gè)或更多的電池的電壓下降到低于報(bào)警(或第二)電壓閾值，那么燃料電 池ECU230主要或首先使用線路212上的報(bào)警水平(即兩個(gè)電壓閾值指示器中的較高者) 來調(diào)節(jié)從燃料電池堆110中流出的電流?；镜那疤崾菫榱吮３峙c預(yù)定的目標(biāo)控制線路一 致地增大從燃料電池流出的電流，直到顯示報(bào)警為止。增大電流的預(yù)定速率可以根據(jù)燃料 電池堆的特定特性(例如堆尺寸)進(jìn)行設(shè)定，并且可以預(yù)先定義該速率以根據(jù)例如從所述 堆流出的電流的大小或溫度的測量值變化。增大電流的最大速率優(yōu)選地是預(yù)定值，通常依 賴于所述堆的尺寸在1和3安培每秒鐘之間。所述最大速率確定了燃料電池系統(tǒng)可以從冷 啟動到達(dá)全部輸出功率的最快時(shí)間。如果電流設(shè)定點(diǎn)請求(例如從外部系統(tǒng)接收到的)小 于所述最大速率，那么燃料電池系統(tǒng)將遵循這一較低的值。在顯示報(bào)警之后，電流被減小， 直到報(bào)警消失為止。 因此，所述控制實(shí)質(zhì)上應(yīng)用燃料電池可以處理的最大電流同時(shí)不會觸 發(fā)電池報(bào)警。這一方法的優(yōu)點(diǎn)是燃料電池產(chǎn)生的熱量隨著增大的電流而增大，因此較大的 電流等同于較快的用以除霜的時(shí)間。優(yōu)選地，在注入冷卻/加濕的水之前發(fā)生初始加熱的 過程。在一般意義上，限制從燃料電池堆110流出的電流以防止跨過燃料電池堆的電池 電壓的總和下降到第三電壓閾值以下，所述第三電壓閾值比第二(警告)電壓閾值與燃料 電池堆110中的電池的數(shù)量的乘積高。然而，如果任何單個(gè)電池的電壓下降至低于報(bào)警電 壓閾值，那么限制電流直到電壓再次升高到所述閾值以上。從冷的狀態(tài)啟動，所述堆的總的電壓可以以預(yù)定的恒定值進(jìn)行校準(zhǔn)(regulate)， 該值是電池的數(shù)量乘以每個(gè)電池的預(yù)定的校準(zhǔn)電壓。單個(gè)電池的典型的電壓可以是約 0. 65V，因此20個(gè)電池堆的校準(zhǔn)電壓將是13V。雖然總的堆電壓被校準(zhǔn)，如果單個(gè)電池降低 至報(bào)警電壓閥值以下，例如0. 4V或額定電壓的約62%，則越進(jìn)一步調(diào)節(jié)流出的電流就越進(jìn) 一步地防止電池電壓下降。可以應(yīng)用以預(yù)定的斜率增大的電流，而不是采用總的堆電壓的調(diào)整。然而，預(yù)定的 電壓可以用以自動地校正堆的啟動溫度和其它條件。實(shí)際上，數(shù)學(xué)函數(shù)可以被用作為所述堆電流的設(shè)定點(diǎn)，其可以考慮包括堆電壓、堆 溫度、環(huán)境溫度、從啟動開始的時(shí)間以及所有電池電壓的標(biāo)準(zhǔn)偏差的一個(gè)或更多的因素。一旦陰極入口 156和出口 159的溫度高于5°C，則外部的冷卻/加濕水可以經(jīng)由陰 極注水入口 127添加至燃料電池堆110。另外，在此時(shí)燃料電池電流的控制可以恢復(fù)至對正 常操作有利的一些其它方法，并且可以關(guān)閉燃料電池堆110上的所有加熱器。圖3示意地示出示例性的燃料電池堆110的側(cè)視圖。所述堆包括單個(gè)燃料電池的 堆310，其中電流收集器板320a、320b位于電池堆310的相對端部。加熱器板330a、330b 朝向燃料電池堆110的相對端設(shè)置，每個(gè)加熱器板330a、330b設(shè)置在各自的電流收集器板320a、320b和各自的端板350a、350b之間。每個(gè)加熱器板320a、320b與各自的端板350a、 350b優(yōu)選地通過設(shè)置在各自的加熱器板330a、330b和端板350a、350b之間的另一絕緣體板 340a、340b熱絕緣和電絕緣。加熱器板330a、330b的主要目的在于以與電池堆310中部的其余電池相同的速率 加熱端部的電池311。加熱器板330還加溫至歧管的水供給通道，使得在水被打開時(shí)它不會凍結(jié)。如圖4a和4b所示，每一加熱器板330由兩個(gè)電加熱回路構(gòu)成。例如銅線路形式 的電路優(yōu)選地嵌到板330中，從而與相鄰的電流收集器隔離開。圖4a顯示出示例性的加熱 器板330的一個(gè)面的透視圖，而圖4b示出同一加熱器板330的反面的透視圖。板330通常 包括形成成在印刷電路板430上的導(dǎo)電加熱元件410、420形式的兩個(gè)埋入的線路，所述加 熱元件410、420形成為蜿蜒的或蛇形線路，其在對應(yīng)于燃料電池堆110中下面的燃料電池 的有效區(qū)域的區(qū)域上跨過加熱器板延伸。為了清楚起見，埋入的線路410、420在圖4a中顯 示為可見的，但是在實(shí)際應(yīng)用中線路通過導(dǎo)電絕緣覆蓋層和/或另外的電路板覆蓋是不可 見的。經(jīng)由例如蓄電池的電源、用經(jīng)由加熱器板330邊緣上的板連接形式的側(cè)片411、412、 413、414的正和負(fù)終端連接，外部地給加熱器板330供電。這些片411、412、413、414雖然為 了布線簡便被緊密地設(shè)置在一起，但是優(yōu)選地通過空間間隙415、416將它們分開。空氣間 隙415、416作用是防止可能在解凍過程中形成的冷凝的水導(dǎo)致電路短路。除了加熱電路收集器的功能之外，加熱器板330還可以用于將注入到燃料電池堆 110中的水(用于冷卻和加濕)從單個(gè)注水入口 450轉(zhuǎn)移至對應(yīng)于沿燃料電池堆110的長 度延伸的多個(gè)通道的端口 460，所述通道配置成將水輸送至每個(gè)單獨(dú)電池。在入口 450和端 口 460之間的水配送線路470被設(shè)計(jì)使得它們具有大致相等的長度，使得沿每個(gè)線路的壓 降和隨之而來的流速是相等的。僅加熱器板330a、330b中的一個(gè)需要水配送特征，這是因 為水通常僅在燃料電池堆110的一端被注入。每個(gè)加熱器板330還包括另外的端口 470，以 允許空氣和氫氣穿過單個(gè)電池。另外，圖5中示出的是圖3中的燃料電池堆110的一部分的橫截面示意圖。水供 給管線510允許水通過端板350的進(jìn)入，水沿著箭頭520指示的路徑被引導(dǎo)。優(yōu)選地，水供 給管線510包括加熱元件用以防止穿過管線510的水凍結(jié)。水穿過端板、絕緣層340、通過 加熱器板330中的注水入口、沿著水配送線路470、通過端口 460 (圖4b)且沿著用于配送至 單個(gè)電池310的配送通道通過。電流收集器板320從所述堆110通過連接電纜530將電流 傳送至負(fù)載260 (圖2)。在端板35中具有水配送線路470的優(yōu)點(diǎn)在于不需要分離或單獨(dú)的 水配送板，從而在燃料電池堆中需要一個(gè)較少的部件。另外的優(yōu)點(diǎn)在于預(yù)加熱通道，其防止 水在進(jìn)入所述堆時(shí)凍結(jié)。圖5中顯示的燃料電池堆110的構(gòu)造允許通過與端板350絕緣的加熱器板330快 速地加熱在電池堆310的相對端上的電池311。由于需要提供用于跨過每個(gè)電池310的有 效區(qū)域平均地施加壓縮壓力的剛性的支撐結(jié)構(gòu)，通常端板350將具有高的熱質(zhì)量。如果沒 有與電池310熱絕緣，那么這一高的熱質(zhì)量將容易減緩所述堆110端部處的加熱速率。然 而，可以將所述堆110中單個(gè)雙極板構(gòu)造成具有較低的熱質(zhì)量，并因此可以在啟動程序期 間被快速地加熱。通過使端板絕緣，因此可以較快速地加熱電池310，從而允許從冷的狀態(tài) 實(shí)現(xiàn)較短的啟動時(shí)間。優(yōu)選地，通過加熱器板330施加足夠的熱量，使得以與所述中部類似的速率加熱燃料電池堆110的端部。通常，電流收集器加熱器尺寸形成為，使得當(dāng)在啟動期 間被操作以加熱所述堆的端部電池時(shí)它們消耗足夠的功率。如果所消耗的功率太低，那么 在啟動期間加熱器不會充足地使電池升溫，如果功率過高，那么端部的電池易于過熱，并因 此抑制所述堆的性能。在典型的從長時(shí)間處于零度以下的溫度啟動期間，圖4和5中示出的所有部件將 低于零攝氏度。當(dāng)系統(tǒng)被啟動時(shí)，燃料和氧化劑被供給至燃料堆電池310。之后開始通過 電流，并且電池310開始升溫。在啟動期間加熱器板330被通電，使得板320截獲的電流以 類似于電池310的速率加熱，電池與電池端板350相比將傾向于具有較低的熱慣量以及被 更大程度地?zé)峤^緣。最終電池319將達(dá)到需要注入水防止過熱的溫度。在通常的燃料電池 中，當(dāng)從-20°C的溫度啟動時(shí)，這個(gè)過程在約15至60秒的時(shí)間段內(nèi)。此時(shí)，經(jīng)由被加熱的水 供給管線510 (還被顯示為圖1中的陰極注水管線125)注入水。重要的是這樣從管道510 至單個(gè)電池310的所有通路被清除冰。水通過端板350且穿過加熱器板340，以防止水在內(nèi) 部傳送端口和水配送線路450、460和470 (圖4b)中凍結(jié)。如上所述的加熱器板330的優(yōu)點(diǎn)包括下述中的一個(gè)或更多個(gè)
i)板330a、330b允許快速地電加熱燃料電池堆110的電流收集器；ii)形成對電供給的連接，使得防止經(jīng)由冷凝水滴造成的短路；iii)通過使用均等長度的配送線路470，使得能夠從單個(gè)注入點(diǎn)至適合的配送通 道均勻配送冷卻水；iv)陽極和陰極輸入和流出流體可以穿過加熱器板330a、330b ；ν)在燃料電池堆端部處的熱滯的后減小導(dǎo)致所述堆的熱曲線的平衡改善；和vi)可以比其他沒有加熱器板330的情形早地注入水，以防止在所述堆110的中心 處的電池過熱。圖6示出根據(jù)本發(fā)明的在燃料電池系統(tǒng)的開始運(yùn)行期間所遵循的示例性程序的 示意流程圖。第一步驟610是例如通過提供電力(例如來自電池存儲單元的)至電控單元 230 (圖2)啟動操作。之后在步驟611 E⑶操作陽極入口閥153 (圖1)，可選地，如上所述操 作閥153上的一體的加熱器和/或通過激勵(lì)所述閥中的螺線管。E⑶可以例如通過監(jiān)控在 陽極入口 156處或附近的壓力傳感器PXl上的壓力讀數(shù)(圖1)，決定是否打開陽極閥(步 驟 612)。一旦打開陽極閥153，則空氣壓縮機(jī)133被激勵(lì)(步驟613)。替代地，可以在操作 陽極閥153之前激勵(lì)空氣壓縮機(jī)133。之后在步驟614，設(shè)定燃料電池堆的初始電流極值。 該初始電流極值可以是零或燃料電池堆110可以從冷的狀態(tài)開始安全操作的較高水平。在燃料電池堆110正處于加熱的時(shí)間過程中，在步驟615和618，基于所述堆中的 電池的最小電壓輸出Vmin是否高于第一和第二閾值電壓水平V1和V2，ECU執(zhí)行以做出決定。 如上所述，可以基于在數(shù)字線路211、212上給出的值(圖2)做出這樣的決定。如果在步驟 615最小電池電壓水平不大于第一電壓閾值水平V1，那么關(guān)閉電流輸出(步驟616)。之后 在重新連接電流之前，該過程等待(步驟617)預(yù)定時(shí)間(通常是幾秒鐘)。之后電流極值 被設(shè)定為其被斷開之前的水平，或重新設(shè)定成初始電流極值。如果最小電壓輸出不小于V1, 但不大于％(報(bào)警電壓閥值水平或第二電壓閾值水平)，那么減小電流極值(步驟619)直 至Vmin大于V2。
之后電流極值增大(步驟620)預(yù)定量。增大電流極值的速率可以是設(shè)定的量(例 如0. 5安培每秒)或依賴于目前設(shè)定水平的某些其他的速率。在步驟621，評價(jià)陰極流動路徑的入口管線123和出口 121管線上的溫度讀數(shù) Tin和T。ut是否分別大于最小的需要溫度Tmin。這些溫度讀數(shù)可以例如由溫度傳感器TX2、 TX3(圖1)獲得。在步驟622，如果兩個(gè)溫度讀數(shù)大于Tmin，那么啟動注水系統(tǒng)。替代地，在 步驟621處的決定可以單獨(dú)依賴于陰極出口管線的溫度T。ut。之后注水系統(tǒng)繼續(xù)操作，其中 根據(jù)陰極空氣流的溫度進(jìn)行改變，直至或除非空氣流的溫度低于最低水平Tmin為止或關(guān)閉 燃料電池系統(tǒng)為止。在啟動期間，在步驟623，評價(jià)電流極值I是否已經(jīng)到達(dá)燃料電池堆110的額定電 流。如果電流極值小于額定電流1 ^，那么執(zhí)行前述的步驟615，繼續(xù)啟動過程。如果達(dá)到 電流極值，那么在步驟624燃料電池系統(tǒng)執(zhí)行連續(xù)的操作模式。在連續(xù)的操作期間，優(yōu)選地燃料電池系統(tǒng)100繼續(xù)監(jiān)控所述系統(tǒng)100的各個(gè)部分 的電壓水平V-和溫度。如上所述，ECU還繼續(xù)監(jiān)控所述操作并適應(yīng)所述系統(tǒng)100的操作參 數(shù)以優(yōu)化操作。圖7示出在啟動期間燃料電池系統(tǒng)的示例性數(shù)據(jù)，其中負(fù)載電流710從零朝向額 定電流升高，在這里是100安。在電流升高過程中，堆電壓720隨之改變。另外，圖7中還 示出在啟動期間在陰極排放口溫度730、端板水控制溫度740、端板空氣溫度750、陽極排放 口溫度760、水泵回壓770和陰極水流量780的變化的對應(yīng)曲線。在圖7中顯示的測試結(jié)果是在20個(gè)電池堆上執(zhí)行的。13伏特的設(shè)定點(diǎn)被用于EOT 230，其以封閉回路控制模式操作。首先，所述堆從冷的狀態(tài)(例如在_20°C )啟動，用幾安 培的電流負(fù)載實(shí)現(xiàn)13V的設(shè)定點(diǎn)。隨著所述堆的升溫，EOT嘗試調(diào)整所述堆電壓至13V，且 逐漸增大電流710。在第一時(shí)間段711的結(jié)束時(shí)，由于一個(gè)或更多的電池運(yùn)行的不好(在這 里是由于過熱)，堆電壓720下降。結(jié)果，隨后ECU減小電流。在第二時(shí)間周期712結(jié)束時(shí)， 注水系統(tǒng)被啟動。一旦水被注入到所述堆中，則電壓升高。之后ECU逐漸增大所述電流710 直至陽極排放溫度超過零。C。此時(shí)，認(rèn)為所述堆解凍，因而電流710更快速地增大至100安 的全負(fù)載點(diǎn)。在上述的策略中，將增大電流負(fù)載的增大速率限制為預(yù)定的最大水平。在圖7示 出的特定測試中，只有在陰極排放口達(dá)到20°C啟動注水系統(tǒng)，以便確保水在被注入時(shí)不會 在所述堆中凍結(jié)。在圖7顯示的測試中，在初始的第一時(shí)間段711期間，電流負(fù)載710逐漸從零升 高至約40A，同時(shí)所測的堆電壓720大致保持恒定(在應(yīng)用負(fù)載上的初始下降之后)。在 ECU檢測到所述堆中的一個(gè)或更多的電池電壓已經(jīng)下降到報(bào)警閾值水平以下之后，電流負(fù) 載710在第二時(shí)間段712逐步地減小，直至超過報(bào)警電壓閾值。在第一和第二時(shí)間段711、 712上陰極排放口溫度730的溫度升高，并且在第二時(shí)間段712期間超過20°C，在該時(shí)間點(diǎn) 處啟動注水系統(tǒng)。在陰極排放口溫度730小的下降之后，冷卻水流速780的突然升高表明 注水開始。在整個(gè)啟動時(shí)間段，因?yàn)槎税寮訜崞?30被啟動且所述堆連續(xù)升溫，端板水和空 氣溫度740、750繼續(xù)逐漸升高。在第三時(shí)間段713期間，電流負(fù)載710繼續(xù)升高，但是以由所述堆的電池的電壓輸 出限制的減小的速率繼續(xù)升高。朝向這一時(shí)間段713的末端陽極排放口溫度760的激增表明，可選地所述堆中的電池被加熱和加濕。在此之后是在第四時(shí)間段714期間電流負(fù)載的 更快的升高，在該期間由于低的電池電壓電流負(fù)載不需要卸下或減小。之后達(dá)到100A的額 定電流，且燃料電池系統(tǒng)在第五時(shí)間段715開始連續(xù)的操作。在初始啟動之后17和18分 鐘之間關(guān)閉716燃料電池系統(tǒng)時(shí)，電流負(fù)載710被切斷并且注水系統(tǒng)不工作，后者是由水泵 回壓770的突然下降顯示的。在沒有電流負(fù)載710的情況下所述堆電壓720快速地升高， 且之后隨著燃料電池110中的剩余燃料的消耗逐漸下降。
其它的實(shí)施例將落入到如由隨附的權(quán)利要求所限定的本發(fā)明的范圍中。
權(quán)利要求
一種啟動燃料電池系統(tǒng)的操作的方法，所述燃料電池系統(tǒng)包括燃料電池堆，所述方法包括以下步驟i)打開陽極入口閥，以允許燃料進(jìn)入所述燃料電池堆的陽極體積中；ii)操作與所述燃料電池堆的陰極空氣入口流體連通的空氣壓縮機(jī)，以允許空氣進(jìn)入所述燃料電池堆的陰極體積中；iii)監(jiān)控所述陰極入口和/或出口的溫度；和iv)一旦穿過所述陰極入口和/或出口的流體的溫度超過預(yù)定水平，操作注水系統(tǒng)以將水注入到所述陰極體積中，其中，限制從所述燃料電池堆流出的電流，以防止跨過所述燃料電池堆中的一個(gè)或更多的電池測量的電壓下降至低于第一電壓閾值。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述電流增大，直到所述電壓下降至低于比所述 第一電壓閾值高的第二電壓閾值為止。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中所述電流相對于時(shí)間以預(yù)定的速率增大。
4.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的方法，其中在所述電壓下降至低于所述第二電壓閾值之 后，所述電流被減小，且直到所述電壓升高至高于所述第二電壓閾值為止。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其中所述電流以高于所述電流增大速率的速率減小。
6.根據(jù)權(quán)利要求1至5中任一項(xiàng)所述的方法，其中所述電流被增大，直到達(dá)到所述燃料 電池堆的額定電流為止。
7.根據(jù)權(quán)利要求1至6中任一項(xiàng)所述的方法，其中限制所述電流以防止跨過所述燃料 電池堆的電池電壓的總和下降至低于第三電壓閾值。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其中所述第三電壓閾值大于所述燃料電池堆中的電池 的數(shù)量與所述第二電壓閾值的值的乘積。
9.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其中所述加熱器被操作以將陰極入口溫度 的范圍保持在5°C和10°C之間。
10.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其中通過施加電流至位于所述燃料電池 堆的相對的端部處的加熱器板來給所述燃料電池堆提供熱量，每個(gè)加熱器板設(shè)置在所述燃 料電池堆的端板和電流收集器板之間，每個(gè)加熱板與各自相鄰的端板熱絕緣。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，包括通過所述加熱器板中的水配送通路從注水管線 供給冷卻劑，以允許來自與所述加熱器板的第一表面連通的所述注水管線的冷卻劑通過至 位于所述加熱器板的相反的第二表面上的一個(gè)或更多的冷卻劑端口。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其中所述注水管線穿過所述燃料電池堆的端板至所 述加熱器板的所述第一表面。
13.根據(jù)權(quán)利要求10或11所述的方法，其中所述水配送通路設(shè)置在所述加熱器板的所 述第二表面上。
14.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，包括在操作所述注水系統(tǒng)的所述步驟之 前加熱與所述燃料電池堆的所述陰極體積流體連通的注水管線。
15.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，包括重復(fù)地激勵(lì)燃料排放閥以引起所述 閥的自加熱的步驟。
16.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，包括加熱所述燃料電池的所述陰極體積和所述空氣壓縮機(jī)之間的空氣入口管線中的空氣的步驟。
17.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其中在通過所述陰極入口和出口的流體 的溫度超過5°C之前所述燃料電池堆在沒有注入水的情況下操作。
18.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中將來自所述燃料電池堆中的多個(gè)電池中的每個(gè) 電池的電壓的指示提供給控制器，所述控制器調(diào)整所述燃料電池系統(tǒng)的控制參數(shù)。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，其中所述控制器提供數(shù)字輸出以顯示所述多個(gè)電池 中的一個(gè)或更多個(gè)的電壓。
20.根據(jù)權(quán)利要求19所述的方法，其中所述數(shù)字輸出指示i) 一個(gè)或更多個(gè)電池的電壓是否低于所述第一電壓閾值；和 )更多個(gè)電池中的一個(gè)的電壓是否低于比所述第一電壓閾值高的第二電壓閾值。
21.根據(jù)權(quán)利要求20所述的方法，其中如果所述數(shù)字輸出指示所述一個(gè)或更多個(gè)電池 的電壓低于所述第一電壓閾值，那么所述燃料電池堆斷開與電力負(fù)載的連接，所述電力負(fù) 載在所述電壓升高至高于所述第二電壓閾值之后被重新連接。
22.根據(jù)權(quán)利要求18至21中任一項(xiàng)所述的方法，其中所述控制器將所述多個(gè)電池中的 每一個(gè)電池的電壓的指示提供給控制器局域網(wǎng)絡(luò)。
23.根據(jù)權(quán)利要求18至22中任一項(xiàng)所述的方法，其中所述多個(gè)電池中的每個(gè)電池的電 壓的指示和所述燃料電池上的寄生負(fù)載的指示被用于優(yōu)化所述燃料電池系統(tǒng)的操作。
24.根據(jù)權(quán)利要求23所述的方法，其中所述控制器調(diào)整所述燃料電池系統(tǒng)的所述控制 參數(shù)以最小化函數(shù)/(σν,Ρρ) = ασ2ν+βΡ2ρ其中Qv是所述多個(gè)電池的電壓輸出的標(biāo)準(zhǔn)偏差，Pp是寄生負(fù)載，和ο，β是常數(shù)。
25.根據(jù)權(quán)利要求23或24所述的方法，其中優(yōu)化所述燃料電池系統(tǒng)的操作的步驟包括 改變以下中的一個(gè)或更多個(gè)i)被供給至所述陰極入口的空氣的流量； )通過在所述堆的相對端部上的加熱器板施加至所述燃料電池堆的熱量的水平；和iii)從所述燃料電池堆流出的所述電流。
26.一種燃料電池堆，所述燃料電池堆包括多個(gè)燃料電池，所述燃料電池堆的每一端部 具有設(shè)置在電流收集器板和端板之間的加熱器板，每個(gè)加熱器板與各自的端板熱絕緣。
27.根據(jù)權(quán)利要求26所述的燃料電池堆，其中每一個(gè)加熱器板包括在所述加熱器板上 的導(dǎo)電線路形式的加熱元件。
28.根據(jù)權(quán)利要求27所述的燃料電池堆，其中所述導(dǎo)電線路是跨過所述加熱器板的與 所述燃料電池堆中電池的有效區(qū)域?qū)?yīng)的部分的蜿蜒的或蛇形的線路的形式。
29.根據(jù)權(quán)利要求27或28所述的燃料電池堆，其中所述導(dǎo)電線路埋入到所述加熱器板 的表面的下面。
30.根據(jù)權(quán)利要求27或28所述的燃料電池堆，其中所述加熱器板包括從所述加熱器板 的邊緣延伸的一對扁形終端，所述終端由空氣間隙分開。
31.根據(jù)權(quán)利要求26至30中任一項(xiàng)所述的燃料電池堆，其中所述加熱器板包括水配送 通路，所述水配送通路配置用以允許允許來自與所述加熱器板的第一表面連通的注水管線 的冷卻劑通過至位于所述加熱器板的相反的第二表面上的一個(gè)或更多的冷卻劑端口。
32.根據(jù)權(quán)利要求31所述的燃料電池堆，其中所述注水管線穿過所述端板至所述加熱 器板的所述第一表面。
33.根據(jù)權(quán)利要求31或32所述的燃料電池堆，其中所述水配送通路設(shè)置在所述加熱器 板的所述第二表面上。
34.一種燃料電池系統(tǒng)，包括燃料電池堆和電控單元，所述電控單元配置成i)打開陽極入口閥，以允許燃料進(jìn)入所述燃料電池堆的陽極體積中； )操作與所述燃料電池堆的陰極空氣入口流體連通的空氣壓縮機(jī)，以允許空氣進(jìn)入 所述燃料電池堆的陰極體積；iii)監(jiān)控所述陰極入口和/或出口的溫度；和iv)一旦穿過所述陰極入口和/或出口的流體的溫度超過預(yù)定水平，操作注水系統(tǒng)，以 將水注入到所述陰極體積中；其中，所述電控單元配置成限制從所述燃料電池堆流出的電流，以防止跨過所述燃料 電池堆中的一個(gè)或更多個(gè)電池測量的電壓下降至低于第一電壓閾值。
35.根據(jù)權(quán)利要求34所述的燃料電池系統(tǒng)，其中所述電控單元配置成增大所述電流， 直至所述電壓下降至低于比所述第一電壓閾值高的第二電壓閾值為止。
36.根據(jù)權(quán)利要求35所述的燃料電池系統(tǒng)，其中所述電控單元配置成以相對于時(shí)間固 定的速率增大所述電流。
37.根據(jù)權(quán)利要求35或36所述的燃料電池系統(tǒng)，其中所述電控單元配置成在所述電壓 下降至低于所述第二電壓閾值之后減小所述電流并且直到所述電壓升高至高于所述第二 電壓閾值為止。
38.根據(jù)權(quán)利要求37所述的燃料電池系統(tǒng)，其中所述電控單元配置成以高于所述電流 的增大速率的速率減小所述電流。
39.根據(jù)權(quán)利要求34至39中任一項(xiàng)所述的燃料電池系統(tǒng)，其中所述電控單元配置成增 大所述電流，直至所述電流達(dá)到所述燃料電池堆的額定電流為止。
40.根據(jù)權(quán)利要求34至39中任一項(xiàng)所述的燃料電池系統(tǒng)，其中所述電控單元配置成限 制所述電流，以防止跨過所述燃料電池堆的電池電壓的總和下降至低于第三電壓閾值。
41.根據(jù)權(quán)利要求40所述的燃料電池系統(tǒng)，其中所述第三電壓閾值大于所述燃料電池 堆中的電池的數(shù)量與所述第二電壓閾值的值的乘積。
42.根據(jù)權(quán)利要求35至41中任一項(xiàng)所述的燃料電池系統(tǒng)，其中所述電控單元配置成操 作加熱器，以將陰極入口溫度保持在5°C和10°C之間的溫度范圍內(nèi)。
43.根據(jù)權(quán)利要求34所述的燃料電池系統(tǒng)，其中所述電控單元配置成接收來自所述燃 料電池堆中的多個(gè)電池中的每一個(gè)的電壓的指示并且響應(yīng)于所述電壓的指示中的變化調(diào) 整所述燃料電池系統(tǒng)的控制參數(shù)。
44.根據(jù)權(quán)利要求43所述的燃料電池系統(tǒng)，包括復(fù)用器單元，所述復(fù)用器單元配置成 接收來自所述多個(gè)電池中的每一個(gè)的電壓信號并且提供至少兩個(gè)數(shù)字輸出給所述電控單 元以指示所述多個(gè)電池中的一個(gè)或更多個(gè)的電壓。
45.根據(jù)權(quán)利要求44所述的燃料電池系統(tǒng)，其中所述數(shù)字輸出適合于指示i) 一個(gè)或更多個(gè)電池的電壓是否低于所述第一電壓閾值；和 )更多個(gè)電池中的一個(gè)的電壓是否低于比所述第一電壓閾值高的第二電壓閾值。
46.根據(jù)權(quán)利要求45所述的燃料電池系統(tǒng)，其中所述電控單元被配置成，如果所述數(shù) 字輸出指示所述一個(gè)或更多個(gè)電池的電壓低于所述第一電壓閾值，斷開所述燃料電池堆與 電力負(fù)載的連接，并且在所述電壓升高至高于所述第二電壓閾值之后重新連接所述電力負(fù) 載。
47.根據(jù)權(quán)利要求44或45所述的燃料電池系統(tǒng)，包括控制器局域網(wǎng)絡(luò)，其中所述控制 器和/或復(fù)用器配置成將所述多個(gè)電池中的每一個(gè)的電壓的指示提供給所述控制器局域 網(wǎng)絡(luò)。
48.根據(jù)權(quán)利要求44至47中任一項(xiàng)所述的燃料電池系統(tǒng)，其中所述電控單元配置成基 于所述多個(gè)電池中的每個(gè)的電壓的指示和所述燃料電池上的寄生負(fù)載的指示優(yōu)化所述燃 料電池系統(tǒng)的操作。
49.根據(jù)權(quán)利要求48所述的燃料電池系統(tǒng)，其中所述電控單元配置成調(diào)整所述燃料電 池系統(tǒng)的所述控制參數(shù)以最小化函數(shù)/(σν,Ρρ) = ασ2ν+βΡ2ρ其中Qv是所述多個(gè)電池的電壓輸出的標(biāo)準(zhǔn)偏差，Pp是寄生負(fù)載，和ο，β是常數(shù)。
50.根據(jù)權(quán)利要求48或49所述的燃料電池系統(tǒng)，其中所述電控單元配置成通過改變以 下中的一個(gè)或更多個(gè)以優(yōu)化所述燃料電池系統(tǒng)的操作i)被供給至所述陰極入口的空氣的流量； )通過在所述堆的相對端部上的加熱器板施加至所述燃料電池堆的熱量的水平；和iii)從所述燃料電池堆流出的所述電流。
51.一種燃料電池系統(tǒng)，包括燃料電池堆和電控單元，所述電控單元配置成調(diào)整所述燃 料電池堆的操作參數(shù)以基于所述燃料電池堆中的多個(gè)電池的電壓輸出的標(biāo)準(zhǔn)偏差優(yōu)化所 述燃料電池系統(tǒng)的操作。
52.根據(jù)權(quán)利要求51所述的燃料電池系統(tǒng)，其中所述電控單元配置成基于所述燃料電 池系統(tǒng)上的寄生電力負(fù)載的指示優(yōu)化所述燃料電池系統(tǒng)的操作。
53.根據(jù)權(quán)利要求52所述的燃料電池系統(tǒng)，其中所述電控單元配置成調(diào)整所述燃料電 池堆的操作參數(shù)以減小下述函數(shù)/(σν,Ρρ) = ασ2ν+βΡ2ρ其中Qv是所述多個(gè)電池的電壓輸出的標(biāo)準(zhǔn)偏差，Pp是寄生負(fù)載，和ο，β是常數(shù)。
54.根據(jù)權(quán)利要求51-53中任一項(xiàng)所述的燃料電池系統(tǒng)，其中所述操作參數(shù)包括以下 中的一個(gè)或更多個(gè)i)被供給至所述燃料電池堆上的陰極入口的空氣的流量； )通過在所述堆的相對端部上設(shè)置的加熱器板施加至所述燃料電池堆的熱量的水 平；和iii)從所述燃料電池堆流出的所述電流。
55.一種優(yōu)化燃料電池系統(tǒng)的操作的方法，所述燃料電池系統(tǒng)包括燃料電池堆和電控 單元，所述方法包括將來自所述燃料電池堆中的多個(gè)電池中的每一個(gè)的電壓輸出的指示提供給所述電控 單元；和基于來自所述多個(gè)電池的所述電壓輸出的標(biāo)準(zhǔn)偏差而優(yōu)化所述燃料電池系統(tǒng)的操作；其中，所述電控單元調(diào)整所述燃料電池堆的所述操作參數(shù)以優(yōu)化所述燃料電池系統(tǒng)的操作。
56.根據(jù)權(quán)利要求55所述的方法，其中所述電控系統(tǒng)基于所述燃料電池系統(tǒng)上的寄生 電力負(fù)載的指示優(yōu)化所述燃料電池系統(tǒng)的操作。
57.根據(jù)權(quán)利要求56所述的方法，其中所述電控單元調(diào)整所述燃料電池堆的操作參數(shù) 以減小下述函數(shù) 其中Ov是所述多個(gè)電池的電壓輸出的標(biāo)準(zhǔn)偏差，Pp是電力寄生負(fù)載，和σ，β是常數(shù)。
58.根據(jù)權(quán)利要求55至57中任一項(xiàng)所述的方法，其中所述操作參數(shù)包括以下中的一個(gè) 或更多個(gè)i)被供給至所述燃料電池堆上的陰極入口的空氣的流量； )通過在所述堆的相對端部上設(shè)置的加熱器板施加至所述燃料電池堆的熱量的水 平；和iii)從所述燃料電池堆流出的所述電流。
全文摘要
一種啟動燃料電池系統(tǒng)(100)的操作的方法，所述燃料電池系統(tǒng)包括燃料電池堆(HO)，所述方法包括以下步驟i)打開陽極入口閥(153)，以允許燃料進(jìn)入所述燃料電池堆(110)的陽極體積中；ii)操作與所述燃料電池堆(110)中的陰極空氣入口(126)流體連通的空氣壓縮機(jī)(133)，以允許空氣進(jìn)入所述燃料電池堆(110)的陰極體積中；iii)監(jiān)控所述陰極入口(126)和/或出口(121)的溫度；和iv)一旦穿過所述陰極入口和/或出口的流體的溫度超過預(yù)定水平，操作注水系統(tǒng)以將水注入到所述陰極體積中，其中，限制從所述燃料電池堆(110)流出的電流，以防止跨過所述燃料電池堆(110)中的一個(gè)或更多個(gè)測量的電壓下降至低于所述第一電壓閾值。
文檔編號H01M8/04GK101874324SQ200880117727
公開日2010年10月27日 申請日期2008年9月23日 優(yōu)先權(quán)日2007年9月26日
發(fā)明者保羅·阿德考克, 彼得·戴維·胡德, 斯科特·貝爾德, 阿什利·凱爾斯 申請人:智慧能量有限公司