CN103178282A - 燃料电池系统 - Google Patents

Abstract

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。

Description

燃料电池系统

本申请为分案申请，该分案申请的母案的申请号为200880117727.0，申请日为2008年9月23日，发明名称为“燃料电池系统”。

技术领域

本发明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。

背景技术

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℃)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0℃冰点(在1bar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。

本发明的目的在于解决上面提到的一个或更多个的问题。

发明内容

在第一方面中，本发明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，本发明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，本发明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，本发明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，本发明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发明，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110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与供给到阴极系统的水分开，所以对高纯水的要求是不一样的。因此在冷却剂管线141中所使用的冷却剂可以包括例如乙二醇的添加剂以降低所使用的冷却剂的凝固点或冰点。

通常为气态氢形式的燃料经由减压阀151和激励阀152(优选为通常是关闭的电磁激励阀)进入燃料电池系统。当燃料供给150为气态氢形式时，其通常远离燃料电池系统设置，例如是朝向车辆后部的加压罐的形式。另一电磁激励阀153和减压阀154可以设置为较靠近燃料供给150和燃料电池堆110的阳极入口156之间的阳极流动路径的燃料入口管线155中的燃料电池堆110。因此，提供通向或导向阳极入口156的两组分开的阀，一组阀151、152靠近罐，另一组阀153、154较靠近燃料电池堆110，其中中间加压燃料管线119位于它们之间。减压阀154将干的燃料气体压力调节到适于引入到燃料电池堆110中的水平。减压阀154优选是已经施加预置压力设定的被动装置，但是也可以使用主动控制装置。可选地，如图1所示，例如在增压燃料管线119中、阀153之前设置燃料加热器145，或者替换地，在燃料入口管线155中、减压阀154之前或之后设置燃料加热器。

在阳极出口管线165上设置另一激励阀161。每个激励阀152、153、161可以设置有局部加热器元件，以根据需要给阀除霜，但是通过流过螺线管的电流的通过对阀152、153、161的激励将提供一定程度的加热。优选地，每个激励阀152、153、161被配置成是失效防护或故障自动保险的，即当通过流过螺线管的电流进行激励时才打开阀。

为了监测并释放阳极流动路径内的燃料压力，可以设置压力传感器PX1和/或压力释放阀157。优选地，压力释放阀157设置成当阳极流动路径中的压力超过安全操作水平时打开并且通过压力释放排放管线158从阳极流动路径排出流体。

在阳极出口管线165中可以设置另一可手动操作的阀162，该阀162例如在维修期间被使用，以确保阳极流动路径的减压。在燃料电池堆110的阳极流动路径中会发生水积累(Water build-up)，例如水从阴极侧通过质子交换膜PEM扩散导致的水积累。从而，阳极排水分离器163可以设置在阳极排放管线164中，以分离排放管线164中存在的所有水。这些水可以被排掉或可选地被再循环。在燃料电池堆110的操作期间，阀161通常保持关闭，并且间歇地打开以从阳极流体路径排出所有积累的水。

在燃料电池堆110中设置阴极注水入口127，入口127连接到阴极注水管线125。阴极注水管线125可以沿其整个长度或部分长度进行加热，并且在水保持容器140和阴极注水入口127之间延伸。可以设置加热器129以提供热量到管线125的特定区域，以加热朝向阴极注水入口127通过注入管线125的水。另一压力传感器PX4可以设置在阴极注水管线125上，以便在操作期间监测管线125上的回压(back-pressure)。

来自阴极排出管线121的水被水泵132(可选地其设置有加热器143)抽吸，通过水返回管线128朝向水保持容器140。来自燃料电池系统100的过量的水通过水溢出管线144被排出水保持容器140。

阳极出口电磁阀161配置用以调整从燃料电池堆110排放的饱和气体和液体流。与阳极入口电磁阀153一样，阳极出口电磁阀161用电控制，且可以被打开或关闭，优选地，当没有供电时是关闭的。当阀161经受液体/饱和气体流时，在系统100关闭时液滴可以出现在阀的周围。如果系统之后被经受零度以下的周围条件或环境条件，那么阀161会被冻结而关闭。仅给阀通电通常不足以解除冰，因此可能需要结合通过加热器元件166的外部加热和使用由于通电的线圈带来的内部加热。

优选地，加热器166配置成施加热量给阳极出口电磁阀161和阳极出口水分离器163。加热器166可以包括正温度系数(PTC)加热元件，其被调整至适合的温度范围。阳极出口管线水分离器163配置用以从来自燃料电池堆110的阳极出口159的混合的气体和液体排放流分离水。优选地，阳极出口管线水分离器163配置成使得通过阳极水排放管线167的水不包含在排放水中的气泡形式的饱和气体，以便最小化在阳极水排放中产生潜在的爆炸性混合物的风险。剩余的燃料气体可以被重新循环返回至阳极入口156中。

图1中显示的阳极系统的配置还可以用于检测燃料电池堆110中的泄漏。打开阳极入口电磁阀153的同时，将阳极出口电磁阀161和旁通阀165保持关闭，允许一定量的气体进入到燃料电池堆110的阳极体积中。然后关闭阳极入口电磁阀153，并且通过压力传感器PX1监测在一段时间内阳极入口156处的压力。将作为时间函数的压力与预先校准的表示由于质子传导通过PEM造成的燃料损失的曲线相比较，允许对由于燃料电池堆或阳极流动路径中相关部件中的泄漏所造成的任何额外的损失进行诊断。

当产生热量同时阀被通电，在零度以下的操作期间，优选地所采用的控制策略将其考虑在内。虽然假定阀可以在系统在零度以下的条件启动时被立即打开是不现实的，但是打开阀所需要的时间应当被最小化。在阳极入口管线155上的压力换能器PX1可以用于监测阳极出口阀161的打开和关闭，并且一旦换能器PX1指示阀161正确地操作，那么操作策略可以由此从内部升温变成正常操作。因为阳极出口阀161通常是关闭的，所以如果阀161被打开，那么压力换能器将指示(register)压力的降低。如果由于冰形成积累阀的打开被阻止，则这可以通过通电的阀161上没有压力降低而指示。因此控制策略可以配置成应用另外的加热给阀161，直至通电的阀161上指示压力降低。

为了释放阳极流动路径中燃料的压力，可以提供压力释放阀157。优选地，压力释放阀157设定成，在阳极流动路径中的压力超过安全操作水平时打开并通过压力释放排放管线158排放来自阳极流动路径的流体。可以通过使用校准的压力换能器并根据燃料电池堆110的额定压力离线设定安全操作水平。

可以在阳极出口管线165中设置另外的手动的操作阀162，这种阀162例如在维修期间使用，以确保阳极流动路径的减压。例如可能由于水从阴极侧通过PEM的扩散而在燃料电池堆110的阳极流动路径中发生水的积累。因此，可以在阳极排放管线164中设置阳极排放水分离器163，以分离排放管线164中存在的任何水。这种水可以被排放或优选地被重新循环。在燃料电池堆110的操作中，阀161通常保持关闭，而仅被间断地打开以排放来自阳极流体路径的任何积累水。

在燃料电池堆110中设置阴极注水入口127，入口127连接至阴极注水管线125。可以沿着阴极注水管线125长度的一部分或整个长度加热阴极注水管线125，且阴极注水管线125在水保持容器140和阴极注水入口127之间延伸。可以设置加热器129以提供热量给管线125的特定区域，以加热通过注入管线125朝向阴极注水入口127的水。在阴极注水管线125上可以设置另外的压力传感器PX4，以便在操作期间监测管线125上的回压。

来自阴极出口管线121的水用可选择地设置有加热器143的水泵132进行抽吸，通过水返回管线128朝向水保持容器140。过量的水通过水溢流管线144从燃料电池系统100排出到水保持容器140的外面。在共同在审的具有与本申请相同的申请日的GB(英国)申请“Fuel cell system”中具有对水保持容器的其他或更多的细节。

图2显示与图1中的燃料电池堆110相关的示例性电控系统200的示意图。电力输出装置201、202连接至电力负载260，其代表包括电动机以及其它的用电部件的汽车系统的各个部件。当在启动期间施加至负载260的电流增大时，来自于外部电源(例如电池或在静态应用中主衍生电源)的电流可以被相应地减小，以保持负载260要求的电流。燃料电池堆110中的单个电池的电压经由电连接从所述堆110输出至每个双极板，电压在多个电压线路220上输出。来自每个电池的电压的指示经由复用器205输入到微控制器210。

可以经由到包含到单个燃料电池双极板设计中的侧片的连接，测量燃料电池堆110的每个电池的电压输出。侧片可以成阳连接器或插头的形式，从而允许使用推动配合阴连接器或阴连接器，例如在汽车应用中通常使用的扁形连接器或铲型连接器(spade-type connector)。这种连接类型适合于高水平的振动。可以通过在复用器205中使用一系列的差分放大器可以相对于限定的零点确定每个电池的电压。多重的(multiplexed)电压指示被输入到微处理器210。

微处理器210配置成评估燃料电池堆110中的每一个电池的电压，并且控制配置用以驱动两个输出线路211、212的两个数字继电器的动作。数字继电器可以一体地形成或集成到微控制器210中，其被控制以指示燃料电池堆110中的一个或更多个电池的电压(如在电压线路220上提供的电压)是否下降到特定的设置阈值电压值以下。为了故障安全防护用途(例如在错误连接的情形中)，微处理器210配置成仅当燃料电池堆中的所有电池超过各自的电压阈值水平时，将每个输出线路设定为高水平。因此，被保持高水平的线路211、212都指示所述堆的操作的“健康”状态。微处理器210配置成将数字继电器设定成在不同的电压阈值水平触发：第一电压阈值指示故障条件，第二电压阈值指示警告条件。通常，第二电压阈值高于第一电压阈值。这些电压阈值可以经由微处理器210的软件接口进行设定。因此，分别对应于第一和第二电压阈值的输出线路211、212上的数字信息可以被燃料电池的电控系统200使用以调节通过输出连接201、202流出的电流和调节诸如空气流速的参数，以便主动地改善燃料电池堆110的健康度和耐用性。第一和第二电压水平的典型值分别是约0.4V和0.6V，但是这些值可以依赖于包括所述堆上的可接受的负载和热平衡的各种因素进行改变。

电池电压阈值信息的使用是确保燃料电池安全操作的有效方式，因为通常通过一个或更多的电池具有低压输出可以显示许多不同的可恢复的故障。优选地，性能最差的电池的电压水平被用于确定在输出线路211、212上设定的水平。

在由被设定为低水平的输出线路212指示的报警条件的情形中，可以逐步调整燃料电池堆110的控制参数，或限制燃料电池电流负载，直到被设定为高水平的输出线路212指示报警结束。在被设定为低水平的输出线路211指示的故障条件的情形下，，例如通过断开安装在燃料电池堆110和电力负载260之间的电接触器(未显示)可以暂时地中断负载260与燃料电池堆110的连接。之后一旦通过微控制器设定输出线路211为高水平指示，故障情形已经消除，那么负载260可以被再次连接。

可以用硬件比较器来替换微控制器210，用以确定电池电压是否低于预置的阈值水平。因此去除了软件的水平，从而提高了方法的可靠性。当考虑到整个系统200的响应的速度和认证时，这可能是尤其有利的。

除了数字继电器的作用之外，微控制器210还可以配置用以在CAN(控制器局域网络)240上发布电池电压数据信息。CAN允许经由例如外部计算机250和/或燃料电池电控单元(ECU)230的适当硬件从电压线路220来监控和/或记载燃料电池堆110的电压的曲线。与优化燃料电池系统操作相关的各种函数可以包含到ECU中，同时经由CAN上可用的信息外部计算机可以用于燃料电池系统的测试和详细的诊断。

通过与已知的曲线对比，电池电压曲线数据可以用于改善燃料电池对时间和在不同条件下的效率和性能。例如，在整个燃料电池堆上的电池电压分布在堆110的边缘处较低而在堆110的中央处升高通常表示燃料电池堆110是冷的或正在受到太多的冷却。相反的情形，即在朝向堆110的中心电压水平下降时)说明燃料电池堆110是热的或受到太少的冷却。前者的情形可以通过降低冷却水平和/或提供热量至所述堆110的端部进行修复，而后者的情形可以通过提高冷却水平和/或降低施加至所述堆110的端部的热水平进行修复。ECU可以配置成以设定的时间间隔(通常每100ms)监控燃料电池堆110的电压水平。对于燃料电池行为的诊断和优化，还可以以较长的时间间隔(通常为分钟或小时的量级)对电压水平实施监控，且目标在于最大化燃料电池堆的寿命，而不是优化其即刻的操作效率。

阴极入口和/或出口的温度优选通过例如ECU230的燃料电池系统控制器进行监测。这种监测可以包括，例如通过温度传感器TX2、TX3的方式获得阴极入口和/或出口流的实际温度测量值。阳极出口温度也可以例如通过阳极出口管线165上的温度传感器的方式进行监控。替代地或附加地，通过结合其它燃料电池参数的测量值和燃料电池堆110的已知的预定热行为模型可以间接地监控阴极入口和/或出口的温度。这些参数可以例如是时间和随时间流出的电流。考虑燃料电池堆的已知的热行为允许燃料电池控制器230间接地确定穿过燃料电池堆110的阴极流动路径在什么点达到开始注水所需要的最小温度。例如热行为模型包括诸如对于一个温度范围热量损失到周围环境的速率和对于一个流出电流的范围燃料电池堆中的加热作用或升温效应(heating effect)的参数。通过将随时间流出的电流的测量以及由于诸如端部板加热器330a、330b的部件造成的任何附加的加热作用或升温效应结合，同时考虑在这一时间段上从所述堆110损失的热量，可以计算对阴极流体流动路径中的温度的估算。

因此，在一般意义上，监控阴极入口和/或出口的温度可以包括实施阴极入口和/或出口流的温度测量。监控阴极入口和/或出口的温度可以包括使用随时间从燃料电池堆流出的电流的测量值来计算对阴极入口和/或出口流的估算。优选地，后一方法考虑燃料电池堆110的预定的热学模型。

对于电池电压信息的其他的用途是通过使用优化的算法，寻求使燃料电池健康度和整体系统效率最大化。优化算法应当不要求所述系统的机构信息并且布置成基于相关标准的最终值提供解决方案。在简化的形式中，优化可以减小，且优选地最小化下述代价函数：

$f({\mathrm{\σ}}_v,P_p)={\mathrm{\α\σ}}_v^2+{\mathrm{\βP}}_p^2$

其中，σ_v是多个电池的电压输出的标准偏差，P_p是寄生负载，σ，β是常数。可替代地，优化算法可以单独使用电池电压输出的标准偏差，从而使其减小或最小化以优化所述堆110的输出。

通常，通过获得包括电压线路220上电池电压分布的燃料电池系统数据的抽点以预定间隔计算上述代价。在特定范围中，燃料电池堆的单个电池电压的标准偏差依赖于所述系统的空气化学计量。在这种情形中，系统的化学计量是指燃料电池堆110阴极体积中可用的、与被供给到阳极体积中的燃料的量反应所需的量相比的氧的摩尔量。氧和氢的化学计量平衡由下面的整个反应来表示：

2H₂+O₂→2H₂O

对于根据上述方程的化学计量平衡，两倍摩尔的氢气需要一倍摩尔的氧气。因此，阴极化学计量2表示当一定中时，通过阴极系统氧气O₂的摩尔数量与进入阳极系统的氢气H₂的摩尔数量相同。通常，需要化学计量至少为2，以在通常是封闭的阴极系统中保持反应效率。在开放的阴极系统中，化学计量可以高达50，即表示存在25倍的氢气摩尔量的氧气可以利用。通常，朝富氧平衡增大化学计量导致总的燃料电池堆性能的提高和燃料电池电压标准偏差的减小。然而，为了实现可利用氧含量的提高，需要提高由于所使用的空气传送方法(通常是空气压缩机133)带来的寄生负载。因此，优选地使上述的代价函数平衡，以便在寄生负载和燃料电池堆电压输出配电之间实现合适的平衡。

燃料电池堆的寄生负载可以由在操作期间燃料电池系统100的一个或更多的部件消耗的电力的测量值来表示。因此，寄生负载的测量值可以通过提供至空气压缩机133、加热器板330(下文更加详细地描述的)和用于升高阴极和阳极入口流温度的加热器138和145中的一个或更多个的电流测量值来确定。由空气压缩机133所消耗的辅助电力的测量值可以表示寄生载荷的原理测量值，因为所述辅助电力测量值控制燃料电池堆110中的气体的化学计量平衡。例如通过测量空气压缩机133和/或其它电力操作的装置(例如泵、阀、传感器、致动器和控制器)所流出的电流可以获得上述测量值。空气压缩机133可以由高压电源来供电，在该情形中从所述电源流出的电流的测量值可以提供必要的指示。

通常从初始条件开始，优化程序以设定的时间间隔(例如每一分钟)更新阴极(空气)化学计量设定点。这允许系统根据不同的环境条件(例如环境压力(例如海拔)的变化或温度和堆的健康度(例如由于老化带来的堆的劣化))逐步优化。

为了帮助燃料电池系统100从零度以下的周围温度启动，可能需要下述特征中的一些或全部：

i)加热的氢气出口阀161(排放阀)和水分离器/收集器163(在图1中示出)；

ii)用于升高阴极和阳极入口流的温度的加热器138、145；

iii)用以升高燃料电池中的电流收集器的温度的加热器330(在下文进一步地参考图3、4a和4b描述的)；

iv)可用于引入至燃料电池堆的液态水的源(例如水保持容器140(图1))：

v)用于运输液态水的管线(包括注水管线125和排水管线128(图1))的跟踪加热(trace heating)；和

vi)燃料电池注水入口127周围区域的加热。

示例性的启动程序具体细节如下。首先，空气压缩机133被启动，且被设定以提供固定流速至燃料电池堆阴极空气入口126。对于具有200平方厘米有效面积的燃料电池堆，可以根据获得80A或更大的电流设定点所需流量来设定所需的流量。在此之后是水管线125、128的加热、氢气出口阀161、燃料电池堆电流收集器320a、320b(将结合图3进行描述)以及水分离器131和水保持容器140之间的回水泵(scavenge pump)132。阴极和阳极入口管线123、155上的加热器被激励，使得在阴极空气入口126和阳极燃料入口156处的气体流的入口温度优选在5和10℃。当从零度以下的环境条件启动时，每个流的温度被调整至最大值10℃，以便确保在燃料电池堆的顶部(通常引入气体的位置)处的水不会被太快速地解冻并随后在燃料电池堆的可能仍处于冰点以下的下部分中冻结。由此，使用气体至少部分地加热阴极和阳极流体路径至某一程度，使得燃料电池堆不会导致经由注水入口127注入到所述堆中的水冻结。

之后，激励阳极入口阀153和排放阀161。在这一启动状态中，通过重复地激励放气阀161来激起对放气阀的积极的行动，以通过由重复的激励所引起的振动来促进阀内的自加热以解冻和除去可能妨碍阀的即刻打开的任何少量的冰的积累。

直到阴极入口和出口温度高于至少5℃，燃料电池堆在不经由阴极的注水进行冷却/加湿的条件下运行。这是用于确保通过阴极注水入口引入水不会导致在燃料电池堆110的阴极体积中形成冰。

燃料电池ECU控制从所述堆110流出的电流。设定可以流出的所述电流上限，之后燃料电池ECU指示应当从燃料电池中流出什么电流。该电流极值在零和电流上限之间，且由ECU设定。该电流极值应当小于或等于燃料电池的额定电流。对于更快速的启动，燃料电池ECU230可以设定从燃料电池堆110中流出的电流和在数字线路211、212上设定的值允许的一样高。燃料电池ECU230连续地监控燃料电池堆110的健康度，并且由此施加或移除负载260。通常以相对于时间固定的速率施加和移除负载260，通常使得以高于没有超过报警阈值时电流的增大速率的速率减小电流(即在发生超过电压报警阈值时)。增大燃料电池电流使得根据目标控制线路增大电流，且直到到达燃料电池堆110的额定电流为止。然而，如果一个或更多的电池的电压下降到低于报警(或第二)电压阈值，那么燃料电池ECU230主要或首先使用线路212上的报警水平(即两个电压阈值指示器中的较高者)来调节从燃料电池堆110中流出的电流。基本的前提是为了保持与预定的目标控制线路一致地增大从燃料电池流出的电流，直到显示报警为止。增大电流的预定速率可以根据燃料电池堆的特定特性(例如堆尺寸)进行设定，并且可以预先定义该速率以根据例如从所述堆流出的电流的大小或温度的测量值变化。增大电流的最大速率优选地是预定值，通常依赖于所述堆的尺寸在1和3安培每秒钟之间。所述最大速率确定了燃料电池系统可以从冷启动到达全部输出功率的最快时间。如果电流设定点请求(例如从外部系统接收到的)小于所述最大速率，那么燃料电池系统将遵循这一较低的值。在显示报警之后，电流被减小，直到报警消失为止。因此，所述控制实质上应用燃料电池可以处理的最大电流同时不会触发电池报警。这一方法的优点是燃料电池产生的热量随着增大的电流而增大，因此较大的电流等同于较快的用以除霜的时间。优选地，在注入冷却/加湿的水之前发生初始加热的过程。

在一般意义上，限制从燃料电池堆110流出的电流以防止跨过燃料电池堆的电池电压的总和下降到第三电压阈值以下，所述第三电压阈值比第二(警告)电压阈值与燃料电池堆110中的电池的数量的乘积高。然而，如果任何单个电池的电压下降至低于报警电压阈值，那么限制电流直到电压再次升高到所述阈值以上。

从冷的状态启动，所述堆的总的电压可以以预定的恒定值进行校准(regulate)，该值是电池的数量乘以每个电池的预定的校准电压。单个电池的典型的电压可以是约0.65V，因此20个电池堆的校准电压将是13V。虽然总的堆电压被校准，如果单个电池降低至报警电压阀值以下，例如0.4V或额定电压的约62％，则越进一步调节流出的电流就越进一步地防止电池电压下降。

可以应用以预定的斜率增大的电流，而不是采用总的堆电压的调整。然而，预定的电压可以用以自动地校正堆的启动温度和其它条件。

实际上，数学函数可以被用作为所述堆电流的设定点，其可以考虑包括堆电压、堆温度、环境温度、从启动开始的时间以及所有电池电压的标准偏差的一个或更多的因素。

一旦阴极入口156和出口159的温度高于5℃，则外部的冷却/加湿水可以经由阴极注水入口127添加至燃料电池堆110。另外，在此时燃料电池电流的控制可以恢复至对正常操作有利的一些其它方法，并且可以关闭燃料电池堆110上的所有加热器。

图3示意地示出示例性的燃料电池堆110的侧视图。所述堆包括单个燃料电池的堆310，其中电流收集器板320a、320b位于电池堆310的相对端部。加热器板330a、330b朝向燃料电池堆110的相对端设置，每个加热器板330a、330b设置在各自的电流收集器板320a、320b和各自的端板350a、350b之间。每个加热器板320a、320b与各自的端板350a、350b优选地通过设置在各自的加热器板330a、330b和端板350a、350b之间的另一绝缘体板340a、340b热绝缘和电绝缘。

加热器板330a、330b的主要目的在于以与电池堆310中部的其余电池相同的速率加热端部的电池311。加热器板330还加温至歧管的水供给通道，使得在水被打开时它不会冻结。

如图4a和4b所示，每一加热器板330由两个电加热回路构成。例如铜线路形式的电路优选地嵌到板330中，从而与相邻的电流收集器隔离开。图4a显示出示例性的加热器板330的一个面的透视图，而图4b示出同一加热器板330的反面的透视图。板330通常包括形成成在印刷电路板430上的导电加热元件410、420形式的两个埋入的线路，所述加热元件410、420形成为蜿蜒的或蛇形线路，其在对应于燃料电池堆110中下面的燃料电池的有效区域的区域上跨过加热器板延伸。为了清楚起见，埋入的线路410、420在图4a中显示为可见的，但是在实际应用中线路通过导电绝缘覆盖层和/或另外的电路板覆盖是不可见的。经由例如蓄电池的电源、用经由加热器板330边缘上的板连接形式的侧片411、412、413、414的正和负终端连接，外部地给加热器板330供电。这些片411、412、413、414虽然为了布线简便被紧密地设置在一起，但是优选地通过空间间隙415、416将它们分开。空气间隙415、416作用是防止可能在解冻过程中形成的冷凝的水导致电路短路。

除了加热电路收集器的功能之外，加热器板330还可以用于将注入到燃料电池堆110中的水(用于冷却和加湿)从单个注水入口450转移至对应于沿燃料电池堆110的长度延伸的多个通道的端口460，所述通道配置成将水输送至每个单独电池。在入口450和端口460之间的水配送线路470被设计使得它们具有大致相等的长度，使得沿每个线路的压降和随之而来的流速是相等的。仅加热器板330a、330b中的一个需要水配送特征，这是因为水通常仅在燃料电池堆110的一端被注入。每个加热器板330还包括另外的端口470，以允许空气和氢气穿过单个电池。

另外，图5中示出的是图3中的燃料电池堆110的一部分的横截面示意图。水供给管线510允许水通过端板350的进入，水沿着箭头520指示的路径被引导。优选地，水供给管线510包括加热元件用以防止穿过管线510的水冻结。水穿过端板、绝缘层340、通过加热器板330中的注水入口、沿着水配送线路470、通过端口460(图4b)且沿着用于配送至单个电池310的配送通道通过。电流收集器板320从所述堆110通过连接电缆530将电流传送至负载260(图2)。在端板35中具有水配送线路470的优点在于不需要分离或单独的水配送板，从而在燃料电池堆中需要一个较少的部件。另外的优点在于预加热通道，其防止水在进入所述堆时冻结。

图5中显示的燃料电池堆110的构造允许通过与端板350绝缘的加热器板330快速地加热在电池堆310的相对端上的电池311。由于需要提供用于跨过每个电池310的有效区域平均地施加压缩压力的刚性的支撑结构，通常端板350将具有高的热质量。如果没有与电池310热绝缘，那么这一高的热质量将容易减缓所述堆110端部处的加热速率。然而，可以将所述堆110中单个双极板构造成具有较低的热质量，并因此可以在启动程序期间被快速地加热。通过使端板绝缘，因此可以较快速地加热电池310，从而允许从冷的状态实现较短的启动时间。优选地，通过加热器板330施加足够的热量，使得以与所述中部类似的速率加热燃料电池堆110的端部。通常，电流收集器加热器尺寸形成为，使得当在启动期间被操作以加热所述堆的端部电池时它们消耗足够的功率。如果所消耗的功率太低，那么在启动期间加热器不会充足地使电池升温，如果功率过高，那么端部的电池易于过热，并因此抑制所述堆的性能。

在典型的从长时间处于零度以下的温度启动期间，图4和5中示出的所有部件将低于零摄氏度。当系统被启动时，燃料和氧化剂被供给至燃料堆电池310。之后开始通过电流，并且电池310开始升温。在启动期间加热器板330被通电，使得板320截获的电流以类似于电池310的速率加热，电池与电池端板350相比将倾向于具有较低的热惯量以及被更大程度地热绝缘。最终电池319将达到需要注入水防止过热的温度。在通常的燃料电池中，当从-20℃的温度启动时，这个过程在约15至60秒的时间段内。此时，经由被加热的水供给管线510(还被显示为图1中的阴极注水管线125)注入水。重要的是这样从管道510至单个电池310的所有通路被清除冰。水通过端板350且穿过加热器板340，以防止水在内部传送端口和水配送线路450、460和470(图4b)中冻结。

如上所述的加热器板330的优点包括下述中的一个或更多个：

i)板330a、330b允许快速地电加热燃料电池堆110的电流收集器；

ii)形成对电供给的连接，使得防止经由冷凝水滴造成的短路；

iii)通过使用均等长度的配送线路470，使得能够从单个注入点至适合的配送通道均匀配送冷却水；

iv)阳极和阴极输入和流出流体可以穿过加热器板330a、330b；

v)在燃料电池堆端部处的热滞的后减小导致所述堆的热曲线的平衡改善；和

vi)可以比其他没有加热器板330的情形早地注入水，以防止在所述堆110的中心处的电池过热。

图6示出根据本发明的在燃料电池系统的开始运行期间所遵循的示例性程序的示意流程图。第一步骤610是例如通过提供电力(例如来自电池存储单元的)至电控单元230(图2)启动操作。之后在步骤611ECU操作阳极入口阀153(图1)，可选地，如上所述操作阀153上的一体的加热器和/或通过激励所述阀中的螺线管。ECU可以例如通过监控在阳极入口156处或附近的压力传感器PX1上的压力读数(图1)，决定是否打开阳极阀(步骤612)。

一旦打开阳极阀153，则空气压缩机133被激励(步骤613)。替代地，可以在操作阳极阀153之前激励空气压缩机133。之后在步骤614，设定燃料电池堆的初始电流极值。该初始电流极值可以是零或燃料电池堆110可以从冷的状态开始安全操作的较高水平。

在燃料电池堆110正处于加热的时间过程中，在步骤615和618，基于所述堆中的电池的最小电压输出V_min是否高于第一和第二阈值电压水平V₁和V₂，ECU执行以做出决定。如上所述，可以基于在数字线路211、212上给出的值(图2)做出这样的决定。如果在步骤615最小电池电压水平不大于第一电压阈值水平V₁，那么关闭电流输出(步骤616)。之后在重新连接电流之前，该过程等待(步骤617)预定时间(通常是几秒钟)。之后电流极值被设定为其被断开之前的水平，或重新设定成初始电流极值。如果最小电压输出不小于V₁，但不大于V₂(报警电压阀值水平或第二电压阈值水平)，那么减小电流极值(步骤619)直至V_min大于V₂。

之后电流极值增大(步骤620)预定量。增大电流极值的速率可以是设定的量(例如0.5安培每秒)或依赖于目前设定水平的某些其他的速率。

在步骤621，评价阴极流动路径的入口管线123和出口121管线上的温度读数T_in和T_out是否分别大于最小的需要温度T_min。这些温度读数可以例如由温度传感器TX2、TX3(图1)获得。在步骤622，如果两个温度读数大于T_min，那么启动注水系统。替代地，在步骤621处的决定可以单独依赖于阴极出口管线的温度T_out。之后注水系统继续操作，其中根据阴极空气流的温度进行改变，直至或除非空气流的温度低于最低水平T_min为止或关闭燃料电池系统为止。

在启动期间，在步骤623，评价电流极值I是否已经到达燃料电池堆110的额定电流。如果电流极值小于额定电流I_额定，那么执行前述的步骤615，继续启动过程。如果达到电流极值，那么在步骤624燃料电池系统执行连续的操作模式。

在连续的操作期间，优选地燃料电池系统100继续监控所述系统100的各个部分的电压水平V_min和温度。如上所述，ECU还继续监控所述操作并适应所述系统100的操作参数以优化操作。

图7示出在启动期间燃料电池系统的示例性数据，其中负载电流710从零朝向额定电流升高，在这里是100安。在电流升高过程中，堆电压720随之改变。另外，图7中还示出在启动期间在阴极排放口温度730、端板水控制温度740、端板空气温度750、阳极排放口温度760、水泵回压770和阴极水流量780的变化的对应曲线。

在图7中显示的测试结果是在20个电池堆上执行的。13伏特的设定点被用于ECU230，其以封闭回路控制模式操作。首先，所述堆从冷的状态(例如在-20℃)启动，用几安培的电流负载实现13V的设定点。随着所述堆的升温，ECU尝试调整所述堆电压至13V，且逐渐增大电流710。在第一时间段711的结束时，由于一个或更多的电池运行的不好(在这里是由于过热)，堆电压720下降。结果，随后ECU减小电流。在第二时间周期712结束时，注水系统被启动。一旦水被注入到所述堆中，则电压升高。之后ECU逐渐增大所述电流710直至阳极排放温度超过零℃。此时，认为所述堆解冻，因而电流710更快速地增大至100安的全负载点。

在上述的策略中，将增大电流负载的增大速率限制为预定的最大水平。在图7示出的特定测试中，只有在阴极排放口达到20℃启动注水系统，以便确保水在被注入时不会在所述堆中冻结。

在图7显示的测试中，在初始的第一时间段711期间，电流负载710逐渐从零升高至约40A，同时所测的堆电压720大致保持恒定(在应用负载上的初始下降之后)。在ECU检测到所述堆中的一个或更多的电池电压已经下降到报警阈值水平以下之后，电流负载710在第二时间段712逐步地减小，直至超过报警电压阈值。在第一和第二时间段711、712上阴极排放口温度730的温度升高，并且在第二时间段712期间超过20℃，在该时间点处启动注水系统。在阴极排放口温度730小的下降之后，冷却水流速780的突然升高表明注水开始。在整个启动时间段，因为端板加热器330被启动且所述堆连续升温，端板水和空气温度740、750继续逐渐升高。

在第三时间段713期间，电流负载710继续升高，但是以由所述堆的电池的电压输出限制的减小的速率继续升高。朝向这一时间段713的末端阳极排放口温度760的激增表明，可选地所述堆中的电池被加热和加湿。在此之后是在第四时间段714期间电流负载的更快的升高，在该期间由于低的电池电压电流负载不需要卸下或减小。之后达到100A的额定电流，且燃料电池系统在第五时间段715开始连续的操作。在初始启动之后17和18分钟之间关闭716燃料电池系统时，电流负载710被切断并且注水系统不工作，后者是由水泵回压770的突然下降显示的。在没有电流负载710的情况下所述堆电压720快速地升高，且之后随着燃料电池110中的剩余燃料的消耗逐渐下降。

其它的实施例将落入到如由随附的权利要求所限定的本发明的范围中。

Claims (15)

1.一种燃料电池系统(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

$f({\mathrm{\σ}}_v,P_p)={\mathrm{\α\σ}}_v^2+{\mathrm{\βP}}_p^2$

其中σ_v是所述多个电池的电压输出的标准偏差，P_p是寄生负载，和α，β是常数。

2.根据权利要求1所述的燃料电池系统(100)，其中，所述操作参数包括以下中的一个或更多个：

i)被供给至所述燃料电池堆上的阴极入口(156)的空气的流量；

ii)通过在所述堆(110)的相对端部上设置的加热器板(330a，330b)施加至所述燃料电池堆(110)的热量的水平；和

iii)从所述燃料电池堆(110)流出的所述电流。

3.根据权利要求1或2所述的燃料电池系统(100)，其中，所述电控单元(230)配置成：

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)的所述阴极空气入口(156)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；

iii)监控所述阴极入口(156)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；以及

v)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。

4.根据权利要求3所述的燃料电池系统，包括复用器单元，所述复用器单元配置成接收来自所述多个电池中的每一个的电压信号并且提供至少两个数字输出给所述电控单元以指示所述多个电池中的一个或多个的电压。

5.根据权利要求4所述的燃料电池系统，其中，所述数字输出适合于指示：

i)一个或多个电池的电压是否低于所述第一电压阈值；和

ii)多个电池中的一个的电压是否低于比所述第一电压阈值高的第二电压阈值。

6.根据权利要求5所述的燃料电池系统，其中，所述电控单元被配置成，如果所述数字输出指示所述一个或多个电池的电压低于所述第一电压阈值，断开所述燃料电池堆与电力负载的连接，并且在所述电压升高至高于所述第二电压阈值之后重新连接所述电力负载。

7.根据权利要求4或5所述的燃料电池系统，其中，包括控制器局域网络，其中所述控制器和/或复用器配置成将所述多个电池中的每一个的电压的指示提供给所述控制器局域网络。

8.一种优化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而优化所述燃料电池系统的操作；

其中，所述电控单元调整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，其特征在于，所述电控单元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的操作

$f({\mathrm{\σ}}_v,P_p)={\mathrm{\α\σ}}_v^2+{\mathrm{\βP}}_p^2$

其中σ_v是所述多个电池的电压输出的标准偏差，P_p是电力寄生负载，和α，β是常数。

9.根据权利要求8所述的方法，其中，所述操作参数包括以下中的一个或更多个：

i)被供给至所述燃料电池堆上的阴极入口的空气的流量；

ii)通过在所述堆的相对端部上设置的加热器板施加至所述燃料电池堆的热量的水平；和

iii)从所述燃料电池堆流出的所述电流。

10.一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；

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；和

v)根据权利要求8所述的方法优化所述燃料电池系统的操作，

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至低于第一电压阈值。

11.根据权利要求10所述的方法，其中，将来自所述燃料电池堆中的多个电池中的每个电池的电压的指示提供给控制器，所述控制器调整所述燃料电池系统的控制参数。

12.根据权利要求11所述的方法，其中，所述控制器提供数字输出以指示所述多个电池中的一个或多个的电压。

13.根据权利要求12所述的方法，其中，所述数字输出指示：

i)一个或多个电池的电压是否低于所述第一电压阈值；和

ii)多个电池中的一个的电压是否低于比所述第一电压阈值高的第二电压阈值。

14.根据权利要求13所述的方法，其中，如果所述数字输出指示所述一个或多个电池的电压低于所述第一电压阈值，则所述燃料电池堆断开与电力负载的连接，所述电力负载在所述电压升高至高于所述第二电压阈值之后被重新连接。

15.根据权利要求11至14中任一项所述的方法，其中，所述控制器将所述多个电池中的每一个电池的电压的指示提供给控制器局域网络。

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