[发明专利]用于燃料电池堆高效加热的燃料电池结构、热系统和控制逻辑

说明书

本发明公开了用于调节燃料电池堆温度的燃料电池结构、热子系统和控制逻辑。公开了一种用于调节燃料电池堆温度的方法。该方法包括确定燃料电池堆的预启动温度，并针对该预启动温度确定将燃料电池堆加热到标准最低运行温度的目标加热速率。该方法然后确定针对目标加热速率的氢释放百分比，并执行堆加热操作，堆加热操作包括激活燃料电池堆并且命令流体控制装置以氢释放百分比将氢气引导至阴极侧，以产生废热。在标准时间段之后，该方法确定堆运行温度是否超过标准最低堆运行温度。响应于运行温度等于或超过最低运行温度，终止堆加热操作。

引言

本公开总体上涉及用于将气态氢基燃料的化学能转换为电能的燃料电池系统。更具体地，本公开的各方面涉及用于有效地加热燃料电池堆的热系统和相关的控制算法。

目前生产的机动车辆，例如现代的汽车，最初配备有动力传动系，该动力传动系用于驱动车辆并为车载电子设备供电。包括且通常被错误分类为车辆传动系的动力传动系通常包括原动机，该原动机通过多速度动力传输向车辆的最终传动系统(例如差速器、车轴和车轮)传递驱动力。因往复活塞式内燃机(ICE)较高的易得性、低成本、重量轻和较高的总效率，汽车通常由其提供动力。作为一些非限制性示例，这种发动机包括两冲程和四冲程压缩点火(CI)柴油机、四冲程火花点火(SI)汽油机、六冲程结构和旋转式发动机。另一方面，混合动力车辆和电动车辆利用诸如电动发电机之类的替代动力源来驱动车辆，将对发动机的动力依赖最小化，并因此提高整体燃油经济性。

混合动力车辆和纯电动车辆动力传动系采取各种结构，其中一些采用燃料电池系统为一个或多个电动牵引马达供电。燃料电池是通常由接收氢气(H₂)的阳极、接收氧气(O₂)的阴极以及介于阳极和阴极之间的电解质组成的电化学装置。诱发电化学反应以氧化阳极处的氢分子，从而产生自由质子(H+)，然后使其穿过电解质，在阴极处通过氧化剂(如氧气)的作用得以还原。特别地，氢气通过阳极催化剂层中的氧化半电池反应被催化分解，以产生自由氢质子和电子。这些氢质子穿过电解质到达阴极，在阴极处氢质子与阴极中的氧和电子反应生成水。然而，来自阳极的电子不能通过电解质，因此在被送到阴极之前通过诸如马达或电池的负载被重新导向。

通常见于汽车应用的燃料电池设计利用固体聚合物电解质膜(PEM)-也称“质子交换膜”(PEM)-实现阳极和阴极之间的离子传输。质子交换膜燃料电池(PEMFC)通常使用固体聚合物电解质(SPE)质子传导膜(例如全氟磺酸膜)来分离生成气体，并实现质子的传导和电极的电绝缘。阳极和阴极通常包括高度分散的催化颗粒，例如负载于碳颗粒上并与离聚物混合的铂(Pt)。催化混合物沉积在膜的侧面以形成阳极和阴极催化层。阳极催化剂层、阴极催化剂层和电解质膜共同限定了膜电极组件(MEA)，其中阳极催化剂和阴极催化剂负载在离子导电固体聚合物膜的相对面上。

为了产生驱动机动车辆所需的电力，通常将多个燃料电池串联或并联成燃料电池堆，以实现更高的输出电压和更强的电流消耗。例如，用于汽车的典型燃料电池堆可具有两百个或更多个堆叠的燃料电池。这些燃料电池堆接收反应气体作为阴极输入，尤其作为在压缩机的作用下通过燃料电池堆的环境空气流或浓缩气态氧流。在正常运行期间，可定量的氧气不会被燃料电池堆消耗；剩余氧气的一部分作为阴极废气输出，其可能包括作为燃料电池堆副产物的水。燃料电池堆还接收氢气或富含氢气的反应气体，作为流入燃料电池堆的阳极侧的阳极输入。氢气在阳极流道内的分布通常保持基本恒定，以实现适当的燃料电池堆运行。在一些运行模式下，为燃料电池堆供给补充氢气，使得阳极气体均匀分布以实现标准的燃料电池堆输出负载。然而，随着这种额外的氢气输入，“滑”入阳极废气的氢气量增加，这可能导致系统效率降低。