专利名称：在延长关闭时间后改善启动可靠性的改进的启动策略的制作方法
技术领域：
本发明通常涉及一种用于改善燃料电池系统的启动可靠性的系统和方法， 以及更具体的是涉及一种在系统已经关闭了一段相当长时间后改善燃料电池系 统启动可靠性的系统和方法，该系统和方法减少了阴极空气压缩机的流量和/或 提供用于电池堆电流流量的电池堆负载，从而^1>薄膜的千燥和/或增加薄膜的 驗。
背景技术：
氢是一种非常有吸弓l力的燃料，因为它是清洁的并且^^料电池中肖嫩有 效地发电。氢燃料电池是一种电化学装置，其包括阳极、阴极以及位于其间的 电解质。阳极接收氢气并且阴极接收氧气或空气。在阳极中氢气被，以产生 自由的质子和电子。质子穿过电解质到达阴极。质子在阴极中与氧和电子发生 反应产生水。来自阳极的电子不能穿过电解质，因此在到达阴极之前被弓l导通 过负载而做功。质子交换膜燃料电池(PEMFC)是用于车辆的常用的燃料电池。PEMFC 通常包括固态聚合物电解质质子传导薄膜，例如，磺酸薄膜。阳极和阴极通 常包括承载在ra粒上并且与离聚物混合的精细粉碎的催化齐噘粒，通常是钼 (Pt)。催化齐嗨合物沉积在薄膜的相对两侧。阳极催化剂混糊、阴极催化剂混 合物和薄膜的结合体定义为膜电^^且件(MEA)。 MEA制^^相对昂贵并且 为了有效的操作需要一定的条件。通常多个燃料电池结合在燃料电池堆中以产生期望的功率。例如，通常对 于上述汽车的燃料电池堆可以具有两百或更多的堆叠的燃料电池。燃料电池堆接收阴极输入气体，典型的是通过压縮机施加压力而穿过电池堆的空气流。电 池堆并没有消耗掉全部的氧气， 一些空气作为阴极废气输出，该阴极废气可能 包括作为电池堆副产品的7K。该燃料电池堆还接收^A电池堆阳极侧的阳极氢 气输入气体。燃料电池堆包括设置在电池堆中多个MEA之间的一系列双极板，其中双极板和MEA设置在两个端fet间。双极板包括在电池堆中邻接燃料电池的阳极 侧和阴极侧。在双极板的阳极侧提供阳极气,动通道，其允许阳极反应气体 流动到各自的MEA。在双极板的阴极侧提供阴极气鹏动鹏，其允许阴极反 应气術荒动到各自的MEA。 一个端板包括阳极气，动通道，以及另外一个端 板包括阴极气体流动通道。双极板和端板由导电材料制成，例如不锈钢或导电 复合物。端板将燃料电池产生的电流传导到电池堆外部。双极板还包括冷却流 体M31其而,的流动TO。正如本领域所公知的，燃料电池薄膜在一定的相対湿度(RH)下操作，从 而使穿越薄膜的离子阻抗足够低以便有效传输质子。通过控制多个电池堆的操 作参数从而把来自燃料电池堆的阴极输出气体的相对湿度控制至嗍望的薄膜相 对湿度，诸如电池堆压力、温度、阴极化学定量关系、和进入到电池堆中的阴 极空气的相对湿度。燃料电池堆中的末端电池通常具有不同于电池堆中其它电池的性能和灵敏 度的操作条件。具体地，末端电池位于最靠近电池堆的室温温度环境的位置， 因此由于热损失而具有的温度梯度造成它们在较低的温度下操作。由于末端电 、M常比电池堆中剩余的电池更凉，气态水更容易凝结成液态水，从而棘端 电池具有较高的相对湿度，这就导致更容易^^电池的流动ilil中形成7K滴。 本领域已知的是^ffl位于末端单元和单极板之间的电阻加热器来加热燃料电池 堆的末端电池，从而补偿^t员失。已经表明燃料电池系统关闭的时间越长，下次系统启动时的可靠性越差。 具体地，在燃料电池系统已经关闭了一段相当长的时间后，由于燃料电池堆内 的一个或多个电池缺乏传输所需电流量的能力，系统启动通常会发生启动失败。 己经表明在系统启动时电池堆失败的一个起作用的因素是燃料电池内的高薄膜 电阻的结果，其直接影响它传输质子的能力。已经提出这个高薄膜电阻是薄膜 Ti燥的结果。发明内容根据本发明的教导，公开了一种用于改善燃料电池系统启动可靠性的系统 和方法。该方法包括确定燃料电池堆中的薄膜电阻是否太髙，如果高的话系统 启动的可靠性将P条低，如果是，则采取一个或多个矫正措施来帮助保证该启动 更加可靠。在一个实施例中，该系统和方法基于从上一次关闭时起过去的时间确定燃料电池薄膜是太千燥。如果时间阈值没有超出，那么随后的正常启动程 序将认识到薄膜电阻低得足以提供可靠的启动。如果时间阈值己纟繩出，贝lj使,aa^3ii^5mtom^raB^i^可靠性。mi^B^ig^包括各种 能防止薄膜进一 步干燥和/鹏加薄膜湿度的措施。为了M^薄膜的进一步千燥， 与正常启动程序期间相比提供更低的阴极空气流率以便减少阴极空气对薄膜 的干燥效应。此外，内部电池堆负载例如末端电池加热器可以在特定启动禾，期间开启，因itbM31电池堆的电流能产生增加电池堆湿度的水。结合附图从以下描述和附卩权禾腰求，本发明的附加特点将变得明显。
图1是燃料电池系统的示意结构亂以及图2是说明在系统启动时各种燃料电池系统参数的图表。
具体实施方式
响应于确定燃料电池堆中的薄膜可能太干燥和具有太高的电阻而改 料 电池系统的启动程序以便增加系统启动可靠性的过程的本发明实施方式的下列 描述实质上仅仅^范性地，并不意( 限制本发明或其应用或^^0图1是包括燃料电池堆12的燃料电池系统10的示意性结构图。该系统10 还包括由电机16驱动的压縮机14，该压縮机14提供阴极输入管线18上的阴极 输入空气到达电池堆12。阴极废气输出到阴极废气管线20上。水蒸汽传输 (WVT)单元22以本领域技术人员公知的方式设置在阴极输入管线18中从而 增湿阴极空气流。虽然没有明确说明，WVT单元22的湿气通常通过阴极^ ,。氢气源24皿阳极输入管线26提供辦羊的干燥氢气至燃料电池堆12的 阳极侧，其中阳极^^il31阳极i^管线28从电池堆12输出。在系统10关闭期间，燃料电池堆12中的阴极和阳极流动通道通常被净化 从而去除其中过量的水并且提供适合下次系统启动的电池堆相对湿度。为了提 供这个净化，)f^七阀30设置在净化管线32中，该)^七管线32连接阴极输入管 线18到阳极输入管线26上，从而当阀门30开启时，来自压縮机14的空气能 同时被引导到燃料电池堆12中阴极和阳极流动iliio在净化期间氢气源24通 过阀门34而关闭。燃料电池堆12包括末端电池加热器36和38,其能在某些操作条件期间以 本领域技术人员公知的理由加热电池堆12的末端电池。此外，系统10包括内部电池堆负载40，例如电阻，其在电池堆12上提供负载从而将以下面详细论述 的理由提供从电池堆12引出的电流。控制器44控制以上所述的各种系统元件， 16、末^MMbSH 36和38、以，择性地开关跨接电池堆12的负 载40的开关42。如上所述，通常需要控制电池堆的Mm^而使电池堆12中的薄膜具有誠 的电导率，但如果在系统关闭期间水结冰，流动i!3t不会被冰阻塞。本领域一 种用于测量薄朥鹏的駄叫做高频电阻(HFR) MMi量法。HFR繊观懂 法fflil设置高频元件到电池堆12的电负载上而产生，从而在电池堆12的电流 输出上产生高频脉动。然后通31检测器46测量高频元j牛的电阻，其是电池堆12 中湿度程度的函数。在以下论述的一个实施例中，系统10不包括检测器46。如上所述，燃料电池系统10包括单个电池堆12。本领域公知的是根据燃 料电池堆需要的燃料电池数量而把燃料电池系统中的燃料电池堆分成两个或更 多的子电池堆，以便产生用于汽车目的的足够功率，其引起流动分布问题。在 某些燃料电池系统设计中，本领域技术人员公知的是使用阳极流动转换，阳极 气jtt两个分开的子电池堆间来回流动。为了以下论述的目的，燃料电池堆12 是一^a括子电池堆A和子电池堆B的分开的电池堆。然而，本领域g人员 将认识到这仅仅是描述的目的，因为电池堆12可以是一单个的电池堆，或任何 魏数量的储电池堆。一个已知的燃料电池系统启动程序在电池堆12的阳极侧执行集流管的净 化和氢气的冲洗。然后该，逐步增加从压縮机14到阴极的空气输送，在一段 时间之后进行到闭合电流接触器，从而允许电池堆12连接到系统负载。稍后系 统10立刻^Aii行状态，从而汽车能被驱动。在某些^^牛下的某些场合，立刻 3SA3i行状态后，电池堆中的一些电池电压可能在负载下崩溃，导致系统10的 快速停止或关闭。图2是说明系统启动期间燃料电池系统的多个参数的图表，垂直轴上是各 种适用的单元而水平轴上是时间。这，通过附图的说明进行识别，包括子电 池堆A的HFR (StkA_HFR)、末端电池加热器占空因数(EndCellHeater—DC)、 (StkB—WE一HTR)、启动状态(FCS_State)、子电池堆B的平均电池电压 (StkB—AvgCellVlt)、子电池堆B的HFR (StkB—HFR)、电池堆电流(StkCurr)、 子电池堆A的平均电池电压(SlkA—AvgCellVlt)、子电池堆B的最小电池电压(StkB_MinCellVlt)、阴极空气供应(CathodeAirFlow)和子电池堆A的最小电 池电压(StkA—MinCe,)。而启动失败。本发明提出HFR值大于120毫欧将导致娜的系统启动，絲图 中的时间点13之后示出。虽然系统没有在这个启动",中成功启动，但是己经 在时间点5和7之间产生电流。如StkA一HFR和StkB_HFR的图线所示的，在 电流产生后，由于这个电流，电池堆12产生7jC，其随后操作以减少电池堆的 HFR。然而，由于电流是有限和短暂的，子电池堆A和B的一个或两个的HFR 值容易返回到超过120毫欧姆的值。财卜，该图表明阴极空气供应是高的，因 此在电、池薄膜上具有干燥效应。本发明提出一种用于确定电池薄膜的HFR是否太高的系统和方法，其将增 加勉的系鄉动的可能性。如果燃料电池系统确定HFR测量不是太高，意味 着电池薄膜不是太干燥，那么系统iSA它的正常启动程序。然而，如果系统确 定HFR太高，那么系鄉入一i^寺定的启^f歸，其包括采取矫正措施来 ^ 薄膜的进一步千燥和/鹏加薄膜的鹏程度。根据本发明，不同的技术能用于确定是否由于时间的流逝薄膜的湿度程度 可能导致失败的启动。系统10可以包括用于测M^料电池堆12的HFR的检测 器46。因此，在系统启动时，如果控制器44确定电池堆12的HFR高于预定的 阚值，例如120毫欧，它肯^A包括矫正措施的特定的启动f歸。在延长关闭时间后多个失败的启动的分析表明在启动期间HFR是趋向高 的。这个对应于低的薄膜驗，并反激降低横跨薄膜的电导率。该薄膜的合 适的MJt对于薄膜支持任何跨接它的负载的能力是至关重要的。本发明捕捉了 被认为是有效的启动期间的HFTl。总的目标是把薄膜湿度带入某一已知的水平, 其对应已知的值，在此值处薄膜能够支持某一负载。在目前的启动策略中，在 HFR需要测量的至关重要的点，HFR测量不可得到。这是由于没有电 51电 池堆传送的原因，而电流穿过电池堆对于HFR的测量是必须的。最新已知的好 的HFR测量胄調作估计的HFR。一^H乔正措施可以包括^动禾聘期间M^由，机14 S31输入管线18 供应至燃料电池堆2的阴极侧的阴极空气量。燃料电池堆12需要空气来产生 电流。已知的燃料电池系统启动樹字通常采用由M机14提供的大约30克/秒的阴极空气流。这样一个空气量是相当大的并且对电池堆12中的薄膜具有高的 干燥^iS。通过M^、这个空气流，例如M^到5—10效秒，^p燥效应显著M^、，但但^WIMS^fc许^miti2产生一些电流,肯战够^j&动。另夕卜一个防止失败的系统启动的矫正措施可以是在启动,期间产生电池堆电流，其将产生水来提供薄膜湿度。在一个己知的系统启动程序中，末端电池加热器36和38将作为燃料电池堆12的加热MI呈的一部分在有限的时间段中 进行操作。由子电池堆A和B产生的用于操作^电池加热器36和38的电流 已在图中时间点5和7之间示出，如上所述。然而，如图2所示的，这个驱动 末端电池加热器36和38的有限量的电池堆电流可能无法产^够的水来防止 启动的失败。因此，这个矫正措施可包括在启动〗l,期间以某一占空因素4姊 端电池加热器36和38以斜坡方式提升到某一功率水平，从而使电池堆12产生 更多的电流，其将产生更多的水。育a十算产生的7K量从而以已知的最小水平来 把电池堆平均湿度带到，的水平。然而另外一个可替代的实施例能以造成平均电池堆电压稍微崩溃的水平驱 动末端电池加热器36和38。这个也能用作薄膜处产生的水量的测量。—些燃料电池堆在它们的具体设计中可能不包括糊电池加热器。在这种情况下，燃料电池堆12上分离的内部负载能被,从而消耗电池堆12产生的 电流。对于这个实施例，负载是电阻40并且其仅仅是消耗电池堆12电流的负 载。如果系统10 3￡\特定启动)1,来防止失败的启动，控带勝44育巨在启动顿 序期间闭合开关42，从而使电流能以精确控制的方式从电池堆12引出。在一些燃料电池系统设计中，可能不提供检测器46，因此不知道电池堆12 的HFR。在这些系统中，本发明提出进入特定启动程序，该禾，仅基于以上论 述过的从最后系统关闭时起过去的时间S^用矫正措施。在一个非限定实施例 中，该时间设定为72小时，如果系统10已关闭该设定的一段时间颇长，控 伟幡44将进入特定启动程序来改善启动的可靠性。作为以上论述的另夕卜一个可替代的矫正概念，简单的电压测量肯調来实现 相关的同样的事。数据分析表明如果燃料电池系统已经处于关闭状态一段延长 的时间，阴极将装满空气。因此，在阳极净俗冲洗期间，^M气导入阳极期间， —些或^f有的电池电压将上升。如果系统10仅仅处于短的一段时间，那么这个 电压在阳极净俗冲洗期间通常是不存在的，这是因为大多数^^ 有的氧己在以前关闭期间消耗掉，没有空气具有透过电池堆12的机会。以上讨论仅仅公开和描述了本发明的具体实施方式
。本领:^术人员在不〗本发明范围教精神的情况下，，从这种讨论和J寸图 J要求中做出各种变化、 和变动。
权利要求
1、一种用于可靠地启动包括燃料电池堆的燃料电池系统的方法，所述方法包括确定燃料电池堆中的薄膜是否太干燥而不能有效传输质子；以及如果确定燃料电池堆中的薄膜太干燥而不能有效传输质子，执行一个或多个矫正措施，以防止燃料电池堆中的薄膜进一步干燥。
2、 根据权利要求1所述的方法，其中确定燃料电池堆中的薄膜是否太干燥 而不能有效传输质子包括确定该电池堆已经关闭的时间是否长于预定时间阈 值，如果是，确定燃料电池堆中的薄駄干燥而不能有效传输质子。
3、 根据权利要求2所述的方法，其中时间阀值是72小时。
4、 根据权利要求1所述的方法，其中执行一个或多个矫正措施包括限制到 i^M料电池堆的阴极侧的空气流。
5、 根据权禾腰求4所述的方法，其中限库倒M料电池堆的阴极侧的空气 流包括设置阴极侧空气流在5-10弥秒的范围内。
6、 根据权利要求1所述的方法，其中执行一个或多个矫正措施包括开启燃 料电池堆中的末端电池加热器。
7、 根据权利要求1所述的方法，其中执行一个或多啊乔正措施包括连接跨 接该电池堆的内部电池堆负载。
8、 根据l^利要求1所述的方法，其中 料电池堆被分成子电池堆。
9、 一种用于可靠地启动包括燃料电池堆的燃料电池系统的方法，所述方法 包括确定该电池堆是否已经关闭的时间长于预定时间阈值；如果该电池堆的关闭时间己经长于预定时间阈值，那么确定该燃料电池堆 中的薄膜是否太T^燥而不能有效传输质子；如果该电池堆已经关闭的时间长于预定的时间阈值，那么限制到燃料电池 堆的阴极侧的空气流；以及如果该电池堆已经关闭的时间长于预定的时间阈值，那么开启燃料电池堆 中的末端电池加 1。
10、 根据权利要求9所述的方法，其中该时间阈值是72小时。
11、 根据权利要求9所述的方法，其中P艮制到燃料电池堆的阴极侧的空气 流包括设置阴极侧空气流在5-10弥秒的范围内。
12、 WMS9戶互,方法，其中 料电池堆被分成子电池堆。
13、 一种燃料电池系统，包括燃料电池堆；压缩机，用来提供阴极输入空气到燃料电池堆的阴极侧；以及控帝IJ器，所述控制器控制压縮机的速度，所述控制翻定燃料电池堆中的薄膜是否太干燥而不能有效传输质子，如果是，贝舰成执行一个或多个矫正措施以防止燃料电池堆内的薄膜进一步千燥。
14、 根据权利要求13所述的方法，其中控伟ij^,确定该电池堆已经关闭的时间是否长于预定时间阈值来确定燃料电池堆中的薄膜是否太千燥而不能有效传输质子，如果是，确定燃料电池堆中的薄Mic干燥而不能有效传输质子。
15、 根据权利要求14所述的系统，其中该时间阈值是72小时。
16、 根据权利要求13所述的系统，还包括设置在燃料电池堆的末端电池内 的末端电池加热器，戶腿控制器开启和电力上斜坡式提升末端电池加热器以便 在电池堆上提供负载，以便允许从该电池堆弓I出电流从而电池堆产生湿度作为 所繊正措施之—。
17、 根据权利要求14所述的系统，其中该控伟幡限制压缩机的驗作为所繊正措施之一。
18、 根据权利要求17所述的系统，其中该控伟幡限制压^tl的舰从而使压縮ITO供5-10 ^y秒的空气。
19、 根据权利要求14所述的系统，还包括选择性±&^接该电池堆电气, 的负载，所述控制器幵启该负载以便允许从电池堆引出电流，从而电池堆产生 繊作为所,正措施之一 。
20、 根据权利要求14所述的系统，其中燃料电池堆被分成子电池堆。
全文摘要
一种用于改善燃料电池系统启动可靠性的系统和方法。该方法包括确定燃料电池堆中的薄膜电阻是否太高，电阻高时该系统启动的可靠性将减少，如果是，则采取一个或多个矫正措施来帮助保证启动更加可靠。在一个实施例中，该系统和方法基于从上一次关闭时起过去的时间来确定燃料电池薄膜太干燥。如果时间阈值已经超出，则采用特定的启动程序来增加采用了矫正措施的成功启动的可靠性，诸如减少阴极空气流和开启电池堆末端电池加热器。
文档编号H01M8/04GK101609900SQ20091015958
公开日2009年12月23日 申请日期2009年6月8日 优先权日2008年6月6日
发明者A·乔扈里 申请人:通用汽车环球科技运作公司