本发明专利技术涉及具有减少的效率损耗的燃料电池系统加温策略。具体地，提供了一种在系统启动时快速地且有效率地加热燃料电池堆的方法。该方法基于各种堆热源的效率来使用所述热源并区分其优先次序从而加热堆。基于大气温度和堆冷却液温度确定将所述堆加热到所述温度的热设定点。然后，比较该设定点与通过正常系统启动操作而工作的热源所提供的堆加热。如果需要更多的热来达到所述设定点，则方法首先使用在负载使得燃料电池堆升温处的堆功率给系统电池充电。如果仍需要附加加热，则根据需要，该方法然后打开冷却液加热器，然后使少量氢流入阴极进入流内从而提供燃烧，并且然后增加压缩机负载。
【技术实现步骤摘要】
具有减少的效率损耗的燃料电池系统加温策略
本专利技术一般涉及在系统启动时快速且有效率地加热燃料电池堆的方法，并且更具体地涉及在系统启动时基于热源效率来区分热 源的优先次序并使用热源从而加热燃料电池堆的方法。
技术介绍
氢是一种非常有吸引力的燃料，因为它干净并且能够被用 于在燃料电池中有效率地生成电。氬燃料电池是一种电化学装置，其 包括阳极和阴极且在二者间具有电解液。阳极接收氪气，而阴极接收 氧气或空气。氢气在阳极中被分解而产生自由质子和电子。质子穿过 电解液到阴极。质子与阴极内的氧气和电子发生反应从而产生水。来 自阳极的电子不能穿过电解液，并且因此被引导通过负载在被送到阴 极前进行工作。质子交换膜燃料电池(PEMFC)是用于机动车辆的流行燃 料电池。PEMFC —般包括固体聚合物电解液质子导电膜，例如全氟 磺酸膜。阳极和阴极代表性地包括被支撑在碳颗粒上并且与离聚物混 合的磨碎的催化剂颗粒(经常是铂(Pt))。催化剂混合物被沉积在膜 的相对侧上。阳极催化剂混合物、阴极催化剂混合物和膜的组合定义 了膜电极组件(MEA)。代表性地在一个燃料电池堆中结合几种燃料电池来产生所 需功率。燃料电池堆接收阴极反应气体，代表性地是被压缩机驱动通 过该堆的空气流。并不是所有的氧气均被该堆消耗，而是一些空气作 为阴极排气被输出，该阴极排气可以包括被作为堆副产品的水。燃料 电池堆也接收流入堆阳极侧的阳极反应氩气。堆也包括流动通道，冷 却液流过所述流动通道。燃料电池堆代表性地包括位于堆内的几个MEA之间的一 连串双极板，其中双极板和MEA位于两个端丰反之间。双极板包括堆 内的邻近的燃料电池的阳极侧和阴极侧。阳极气体流动通道被配备在 双极板的阳极侧上以允许阳极反应气体流动到相应MEA。阴极气体应MEA。 一个端板包括阳极气体流动通道，而另一个端板包括阴极 气体流动通道。双极板和端板由例如不锈钢或导电合成物的导电材料 制成。端板传导由燃料电池产生的来自堆的电。双极板也包括流动通 道，冷却液;危过所述流动通道。燃料电池堆在某个堆工作温度下更有效率地且更稳定地工 作，该堆工作温度代表性地由流动通过堆的冷却液控制。在系统启动时，燃料电池堆典型地为低温度，可能低于零度。需要在系统启动时 将堆尽快加热到所需温度以便堆尽快地就可以更有效率地且更稳定地工作。
技术实现思路
根据本专利技术的教导，公开的方法用于在系统启动时更快且 更有效率地加热燃料电池堆。该方法基于各种堆热源的效率来使用各 种堆热源并区分各种堆热源的优先次序以便加热堆。基于大气温度和 堆冷却液的温度来确定将堆加热至所需温度的热功率设置点。然后比 较该设置点与通过正常系统启动操作而工作的热源提供的堆温度。如 果需要更多的热来到达设置点，则该方法可以首先使用负栽引起燃料 电池堆温度上升处的堆功率来给系统电池充电。如果仍需要附加加 热，则根据需要该方法然后可以打开冷却液加热器，随后使少量的氢 流入阴极入口流以提供燃烧，并且然后增加压缩机负载。结合附图从下述描述和所附权利要求可以明显地得出本发 明的附加特征。附图说明图1是燃料电池系统的结构图；以及 图2是根据本专利技术的实施例的控制器的结构图，其示出了 在系统启动时快速地且有效率地加热燃料电池堆的过程。具体实施方式涉及在系统启动时基于各种热源的效率来区分各种热源的 优先次序并使用各种热源以加热燃料电池堆的本专利技术的实施例的下述讨论实质上仅仅是示例性的，并且决不意味着限制本专利技术或其应用 或使用。如下面将要讨论的，本专利技术提出在系统启动时尽可能快速 地且有效率地加热燃料电池堆以最小化堆加温时间(warm-up time) 的方法。该方法应用几个不同热源来在系统启动时加热堆。这些热源 包括基于堆负载因堆无效率而产生的热、冷却液加热器、堆中的端电 池加热器、使氢进入堆的阴极侧以产生催化燃烧以及使阴极压缩机过 载以在阴极空气电池内产生热。可以通过给作为堆负载的高压电池充 电而增加堆生热。因为用于给电池充电的能量可从电池中重新获得， 所以这个加热堆的技术是最有效率的。使用冷却液加热器和堆端电池 加热器不仅加热冷却液和堆端电池，还增加了堆负载电流，这也会加 热堆。因为这个双重加热效果，所以冷却液加热器和端电池加热器是 加热燃料电池堆的第二最有效率的方式。加热燃料电池堆的下一种最 有效率的方式是将少量氢注入堆的阴极侧，在这里氢燃烧、产生热。 对于能向堆的阴极侧注入多少氢是存在成分限制的。同样， 一些被注 入的氢可以流到排气从而导致系统中不希望的散发。用于产生额外热 以加热堆的最后一种技术是通过增加;夸过压缩机的压力比率从而加 热阴极入口空气并且增加堆上的电负载。该方法代表性地是效率低的 并且在系统中会生成额外噪音。图1是包括燃料电池堆12的燃料电池系统10的平面图。 燃料电池堆12包括在堆12的端电池内的端电池加热器14和16。燃 料电池堆12接收来自在阴极输入线20上的压缩机18的阴极输入空 气，并且在阴极输出线22上输出阴极排气。同样地，燃料电池堆12 接收来自在阳极输入线24上的氢存储源28的氬气，并且在阳极输出 线26上输出阳极排气。来自源28的氢气可以被选择性地提供到阴极 输入线20并且通过阀44进入堆12的阴极侧从而提供在堆12的阴极 侧的燃烧以便以本领域技术人员很好理解的方式加热堆12 。在燃料电池堆12的双极板内提供冷却液流动通道。冷却液 #皮泵30泵压通过冷却液流动通道并且通过堆12外侧的冷却液回路 32。来自堆12的在回路32中的冷却液被送到散热器34，在被送回燃 料电池堆12之前在该散热器34内降温。回路32内的旁通阀36被控 制以便允许冷却液的选择量在旁通线28上绕过散热器34从而冷却液不被散热器34冷却。在冷却液回路32內的冷却液加热器40可被用 于在堆启动时加热冷却液。温度传感器42测量^^人堆12流出的在回路 32内的冷却液的温度。系统10还包括高压电池46，该高压电池46被电耦合到燃 料电池堆12并且可以被堆12充电。根据本专利技术，在系统启动时堆加温算法加热堆12以便堆12 更快速地且以有效率的方式到达其理想工作温度。算法首先确定从系 统10的正常操作中的加热堆的各种热源所产生的热是多少。例如， 如果在系统启动时在堆12上立即存在大负载，则堆12本身产生的热 应该足够将堆12快速地加热到其工作温度。如果因为堆12太冷或者 因为热源不足，正常系统操作没有产生足够的热，则算法基于效率和 所需热量激活各种热源并且区分各种热源的优先次序。这个区分优先 次序包括首先从堆12中抽取电流以便给电池46充电。如果通过给电 池46充电堆不能产生足够的热来足够快速地加热堆12，那么算法然 后会打开冷却液加热器40。如果仍需要更多的热，则然后算法通过阀 44将氬送入堆12的阴极侧以便产生燃烧。如果仍需要更多的热，那 么然后可以通过例如关闭线2 0上的阀以使得压缩机18更猛烈地工作 来增加跨过压缩机18的压力比率。根据本专利技术，加温算法的设置点是基于来自温度传感器42 的冷却液出口温度以及大气温度，该大气温度被用于以千瓦确定热功率从而确定提供多少热。基于下述等式(l),通过使堆生热O'w、冷却'液加热器生热Q加'糾她'器、端电、池加热器生热Q端畅加热器本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种加热燃料电池系统中的燃料电池堆的方法，所述方法包括： 确定用于将所述堆加热到所需温度的热设定点； 确定当前热源是否会将所述堆加热到所需热设定点；以及 基于所述热源的加热效率使用来自所述热源的附加堆加热并区分其优先次序。
【技术特征摘要】
...
【专利技术属性】
技术研发人员：AB奥尔普，SD伯奇，M贝克，
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]
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