[发明专利]冷启动过程中开始冷却液循环以防膜电极组过热的方法

说明书

发明背景

1.发明领域

[0001]本发明总地涉及在冷启动时控制到达燃料电池组的冷却液循环的方法，且更具体地讲，涉及包括燃料电池组的燃料电池系统，其中所述系统采用一种控制方案来在冷启动过程的适当时刻使冷却液循环通过燃料电池组，以防所述燃料电池受到过高温度的损害。

2.相关技术讨论

[0002]氢由于其干净并可用在燃料电池中有效地产生电流而成为备受青睐的燃料。汽车行业投入大量资源来开发氢燃料电池作为车辆能源。这种车辆将比采用内燃机的现有车辆更有效且产生的排放更少。

[0003]氢燃料电池是包括阳极和阴极(两者之间有电解质)的电化学设备。阳极接受氢气而阴极接受氧或空气。氢气在阳极中离解产生游离质子和电子。质子通过电解质到达阴极。质子与阴极的氧和电子反应产生水。阳极的电子不能通过电解质，因此在被输送到阴极之前通过负荷做功。所做功使车辆运行。

[0004]质子交换膜燃料电池(PEMFC)是车辆的常用燃料电池。PEMFC通常包括固体聚合物电解质质子导电膜，如全氟磺酸膜。阳极和阴极通常包含细碎分散的催化剂微粒，通常铂(Pt)以碳颗粒为载体并与离聚物混合。催化剂混合物沉积在膜的相对面上。阳极催化剂混合物、阴极催化剂混合物和膜的组合定义为膜电极组(MEA)。MEA制备相对昂贵并需要一定的条件以有效运行。这些条件包括正确水管理、湿度和温度控制以及催化剂中毒成分(如一氧化碳(CO))控制。

[0005]通常将几个燃料电池组合于燃料电池组中来产生所需能量。燃料电池组接受阴极输入气体，通常是通过压缩机使空气流强制通过所述电池组。并非所有氧都被电池组消耗，一部分空气作为可能包含电池组副产物水的阴极废气输出。所述燃料电池组还接受流入电池组阳极侧的阳极氢输入气体。

[0006]燃料电池组包含位于电池组MEA之间的一系列流场板或双极板。双极板包括电池组中相邻燃料电池的阳极侧和阴极侧。在双极板的阳极侧提供阳极气流通道以允许阳极气体流到各MEA的阳极侧。在双极板的阴极侧提供阴极气流通道以允许阴极气体流到各MEA的阴极侧。双极板由导电材料制备(如不锈钢)，从而将燃料电池产生的电流从一个电池传导到下一个电池并传导出电池组。

[0007]燃料电池必须在最佳相对湿度和温度下工作以提供有效电池组运行和耐用性。汽车燃料电池组的通常电池组工作温度为60-80℃。超过最佳温度的过高电池组温度可能损坏燃料电池组件，减少燃料电池的使用寿命。同样，低于最佳温度的电池组温度降低了电池组的性能。因此，燃料电池系统采用热子系统来引导冷却液通过所述燃料电池组的液流通道来控制其温度。

[0008]车辆启动时，燃料电池组通常远低于其最佳工作温度，尤其在低温环境中更是如此。希望尽快将燃料电池组的温度提高其工作温度以提高电池性能，这可能要一分钟或更长时间。为了使燃料电池组迅速达到其工作温度，启动后一定时间内冷却液不流经电池组，以便使电池组由于电化学过程产生的废热而迅速升温。同样，燃料电池电池组启动时更快地提高电池组温度的各种操作在本领域中是已知的，如将氢气供给燃料电池的阴极侧以产生可用于加热电池组的燃烧。此外，如果在电池组足够暖和之前允许冷的冷却液流循环，电池组的性能可能受损且电池可能由于冷的冷却液而失效。

[0009]重要的是在启动过程中防止MEA过热和持续降解。本领域中已知的是：燃料电池启动过程中测量燃料电池组阴极侧的阴极排气的温度来确定燃料电池组温度，以在适当时刻启动冷却液流。通常当阴极输出温度达到25℃-40℃时，启动冷却液泵来使冷却液流经电池组。然而，已发现当阴极排气温度在此温度范围时，燃料电池内MEA的某些部分可能超过100℃。认为MEA持续、反复暴露在这些高温下会导致材料降解和耐久性失效，如在MEA中产生小孔。

发明概述

[0010]本发明公开了一种确定冷启动过程中燃料电池组的内部温度以在所述电池组的内部温度升到超过可能损害电池组内燃料电池的温度之前启动冷却液流的系统和方法。所述系统和方法包括从环境温度传感器或电池组冷却液体集合管中的传感器确定初始电池组温度，测定电池组的电压并测定来自电池组的电流，通过这些值和电池组材料的比热确定电池组的废热从而确定其温度。如果在启动过程中将氢送到电池组的阴极侧，那么所述系统和方法还包括确定氢的流速。