[发明专利]使用于低于冰点的环境条件的燃料电池电站操作系统和方法

说明书

技术领域

本发明涉及燃料电池，其适合用于运输车辆、移动电站、或如固定电站，以及本发明特别是涉及用于最小化有关燃料电池水冻结问题的燃料电池电站操作系统。

背景技术

燃料电池是众所周知的，并且通常被用于从包含还原液态燃料(reducing fluid fuel)的氢和包含氧化剂反应物流的氧产生电功率以向诸如发电机和运输车辆这样的电气设备供电。在现有技术的燃料电池中，使用质子交换膜（proton exchange membrane,“PEM”）作为电解质是已知的。如众所周知的，在阳极催化剂层处形成的质子穿过电解质移动到阴极催化剂层，而电子移动穿过电路来给负载供电。当电子完成该电路回到燃料电池时并且当氧化剂经过阴极催化剂附近时，在阴极催化剂处形成燃料电池产物水（fuel cell product water）。

使用这样的燃料电池来给运输车辆供电必要地包括许多起动-停止循环，其中的一些会发生在低于冰点的环境条件中。一般，在PEM燃料电池中的燃料电池产物水至少部分地被再循环，或被利用以使膜与水化合，以使反应物流湿润，以从膜电极组装（membrane electrode assembly,“MEA”）去除热，以支持燃料重整器，以及为了其他众所周知的目的。在低于冰点的环境条件中，燃料电池水的冻结可能阻塞引导反应物流穿过燃料电池的流动路径（flow path），从而破坏燃料电池性能。

最小化燃料电池产物水的冻结问题的努力包括使用复杂的和昂贵的燃料加热器（fuel fired heater），使用来自燃料电池电站电池组（battery）的寄生功率（parasitic power）的电加热器，冷却水流动流内复杂的防冻解决方案，等等。排他地依赖在燃料电池的启动时由操作燃料电池所生成的热以防止燃料电池产物水冻结和阻塞反应物流流动通道（flow channel）也是已知的。这样的启动常常被称作“辅助程序启动”（boot strap start-up），因为燃料电池本身提供其自己的热用于防止在启动期间产生的燃料电池产物水的冻结。

然而不幸地，当环境条件极端冷的时候，或者当燃料电池在低于冰点的环境条件中只被操作短的持续时间（诸如，2-3分钟或者更短的车辆操作）时，在启动时生成的燃料电池产物水可能在阴极催化剂层的孔隙内和在邻近阴极和/或阳极催化剂层的反应物流动孔隙或通道内保持在低于冰点的条件。于是这样低于冰点的燃料电池水可能冻结和阻塞或限制气态反应物流到燃料电池催化剂的通路。这是特别棘手的问题，如果燃料电池供电的车辆经历一次或更多中止的起动（aborted start）的话,其意味着操作者发起燃料电池停止运转，一般通过在燃料电池达到冻结-安全（freeze-safe）操作温度之前在燃料电池启动过程期间关断燃料电池开/关转换设备（on/off switching device）。这可能由于正常车辆操作境况的各种典型原因而发生，诸如操作者返回到住处内去取遗忘的物项，非常短的旅程，诸如去邻居的住处，等等。于是冻结的燃料电池水通过阻止和/或严重限制邻近燃料电池催化剂、尤其是邻近阴极催化剂的反应物流的流动，可能相当大地妨碍在低于冰点的环境条件中启动燃料电池时的后续努力。关键点或主要问题是当电站由于其操作环境不适宜停止运转时，电站停止运转信号被发送到电站控制器。

发明内容

本公开是用于在低于冰点的环境条件中启动燃料电池的燃料电池电站操作系统。该系统包括燃料电池，用于引导氧化剂和燃料反应流通过燃料电池以生成电流并且通过负载电路向主要负载提供电流。系统控制器控制燃料电池的操作以及向操作电路传送控制信号，该操作电路被固定（secured）在与系统控制器和燃料电池及在系统控制器和燃料电池之间的通信中，用于控制燃料电池的操作，包括通过控制通过燃料电池的反应物流的流动。温度传感器被固定在燃料电池上，用于感测邻近燃料电池的电解质的温度，并且温度传感器将所感测的温度传送给系统控制器。开/关转换设备被固定在与系统控制器和操作电路及在系统控制器和操作电路之间的通信中，并且选择性地允许操作电路来操作燃料电池。开/关转换设备旁路电路（by-pass circuit）被固定在与系统控制器和操作电路及在系统控制器和操作电路之间的通信中，用于在开/关转换设备被关断并且温度传感器感测到燃料电池温度低于预定的冻结-安全操作温度时，选择性地允许操作电路来操作燃料电池。为了此处的目的，短语“开/关转换设备”指的是任意转换设备、信号、能够将指令传送给系统控制器以选择性地启动和停止运转燃料电池的通信设备或方法。