[发明专利]用于冷燃料电池系统操作的控制方法

说明书

技术领域

与本发明总体相关的领域包括燃料电池、燃料电池部件、燃料电 池控制系统以及使用和操作它们的方法。

背景技术

已经提出燃料电池作为许多应用的能源，例如作为车辆和类似物 的主要能源。为了满足用户在车辆应用中的期望，燃料电池应该能够 快速启动。在相对高的环境温度(例如大约20℃或以上)，可包括束缚 在一起的多个单个燃料电池的燃料电池组可被启动，并在合理的时间 内达到可接受的操作条件。在某些应用中，优选的操作温度可以是大 约80℃。

在相对低的温度下，例如大约-25℃的冰点以下的温度，由于在这 些温度下，总体电化学反应的速度显著降低，燃料电池组的快速启动 更加困难。这限制了可以从电池组得到的电流量以及电池组造成的热 量输出。燃料电池组的减小的输出会造成车辆驱动性能降低，以及减 缓加热内部车辆轿厢的速度、除霜机构操作的速度和类似情况。

发明内容

一个实施例包括操作具有燃料电池和提供空气到燃料电池的压缩 机的燃料电池系统的方法。该方法包括检测指示燃料电池温度的温度、 在检测的温度低于阈值时在去往燃料电池的空气流动路径中提供限 制、并且增加压缩机的速度以便提供所需的气流到燃料电池。在至少 某些应用中，增加压缩机的速度增加了从燃料电池吸取的功率，以便 为压缩机功能，并有助于增加燃料电池的热量。压缩机的增加的速度 还造成来自于压缩机的较热的空气流动，可进一步增加系统部件的温 度。

本发明的另一实施例包括燃料电池系统，包括至少一个燃料电池、 具有与燃料电池连通的输出端以便提供受压空气流动到燃料电池的压 缩机以及布置在压缩机输出端和燃料电池之间并且受压的空气从压缩 机流到燃料电池的至少一个流动控制器。流动控制器可以是一个或多 个阀，该阀提供空气流过阀的面积的可变限制。该系统还包括适用于 提供指示空气流到燃料电池的速度的信号的空气流动传感器、适用于 提供指示环境温度或燃料电池温度中的至少一个的信号的温度传感器 以及控制系统。控制系统可与空气流动传感器、温度传感器、压缩机 以及阀连通，并且能够提供信号到阀，以便在温度传感器提供指示温 度的信号低于阈值时增加空气流过阀的限制。控制系统还可提供信号 以便控制压缩机操作，从而即使阀减小空气流过其中的面积也将确定 的空气流动提供给燃料电池。

本发明的其它示例性实施例将从随后提供的详细描述中得以清 楚。应该理解到在披露本发明的示例性实施例的同时，详细描述和特 定的实例只用于说明目的，而不打算限制本发明的范围。

附图说明

本发明的示例性实施例将从详细描述和附图中更加完整的理解， 附图中：

图1示意表示改善燃料电池组的冷启动性能的控制系统；以及

图2是压缩机压力比例和空气质量流动速度的视图。

具体实施方式

更加详细地参考付托图1表示例如可用于车辆应用的燃料电池功 率系统10的控制系统。燃料电池的结构及其控制可以是任何传统或随 后开发的形式。在图1所示的实施例中，燃料电池功率系统10包括至 少一个燃料电池或燃料电池组12。压缩机14被设置并通过电马达16 驱动。压缩机14将受压的空气流动提供给燃料电池组12的阴极侧， 并且此受压的空气流动可在加湿器中加湿，并且其压力通过压力调节 器或通过其马达的反馈控制器使用适当压力传感器46控制。受压空气 流动可经由设计成减小不希望的加热空气的温度的空气冷却器18提供 给燃料电池组12，使得去往燃料电池12的空气流动在燃料电池操作的 所需温度范围内。例如流动控制阀20、22的一个或多个可变流动限制 器可布置在压缩机输出端和燃料电池组12之间，以便控制去往燃料电 池组12的空气流动的速度。在一个实施例中，控制阀22设置在围绕 加湿器32的旁通管线21内。

在所示实施例中，具有两个流动控制阀20、22，其中一个阀20并 联连接到另一阀20和阴极加湿器32上。因此，从压缩机14流动的输 出空气的一部分经过一个阀20以及阴极加湿器32，同时分开部分旁通 阴极加湿器32并经过第二阀22。在所示实施例中，被分开的空气流在 阴极加湿器32的下游汇合，并且在单个导管24内输送到燃料电池组， 虽然也可采取其它配置。