[发明专利]具有减少的效率损耗的燃料电池系统加温策略

说明书

技术领域

本发明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。

背景技术

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。氢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。阳极接收氢气，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一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氢气。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位于两个端板之间。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 流动通道被配备在双极板的阴极侧上以允许阴极反应气体流动到相 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，冷却液流过所述流动通道。

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。

发明内容

根据本发明的教导，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载引起燃料 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是根据本发明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发明的实施例的下 述讨论实质上仅仅是示例性的，并且决不意味着限制本发明或其应用 或使用。