[发明专利]用作冷却剂加热器的燃料电池组

说明书

技术领域

本发明大体上涉及在系统启动时加热燃料电池组的系统 和方法，更具体地，涉及用于加热燃料电池组系统启动的系统和方法， 其包括使该电池组电短路并利用阴极空气作为限制反应物。

背景技术

由于清洁并可用于在燃料电池中有效地发电，因此氢是 非常有吸引力的燃料。氢燃料电池是包括阳极和阴极并在其间具有电 解质的电化学装置。阳极接收氢气，阴极接收氧气或空气。氢气在阳 极中分解而产生自由氢质子和电子。氢质子穿过电解质至阴极。氢质 子与阴极中的氧和电子发生反应而生成水。来自阳极的电子不能穿过 电解质，因而在被送至阴极之前被引导通过负载而做功。

质子交换膜型燃料电池(PEMFC)是流行的车用燃料电 池。PEMFC通常包括固体聚合物电解质质子传导膜，例如全氟磺酸膜。 阳极和阴极通常包括承载在碳粒上并与离子聚合物混合的微细催化物 颗粒，通常为铂(Pt)。该催化混合物淀积在膜的相对侧。阳极催化混 合物、阴极催化混合物和膜的组合限定了膜电极组件(MEA)。MEA 制造起来比较昂贵，并且需要一定条件来进行有效操作。

通常将若干燃料电池组合成燃料电池组来产生期望功率。 例如，典型的车用燃料电池组可具有两百个或更多个堆叠的燃料电池。 燃料电池组接收阴极输入气体，通常是空气流，由压缩机迫使其穿过 电池组。不是所有氧气都被电池组消耗，一部分空气作为阴极排气输 出，该阴极排气可能包括作为电池组副产物的水。该燃料电池组还接 收流入电池组的阳极侧的阳极氢输入气体。

所述燃料电池组包括位于该电池组的若干MEA之间的一 系列双极板，其中双极板和MEA位于两个端板之间。这些双极板包括 用于电池组中的相邻燃料电池的阳极侧和阴极侧。在双极板的阳极侧 设置阳极气体流道，其允许阳极反应气体流向相应的MEA。在双极板 的阴极侧设置阴极气体流道，其允许阴极反应气体流向相应的MEA。 一个端板包括阳极气体流道，另一端板包括阴极气体流道。双极板和 端板由例如不锈钢或导电复合物之类的导电材料制成。这些端板将燃 料电池所产生的电传导到电池组外。

在低温工作期间(例如低于50℃)，燃料电池组由于低水 饱和压力而通常在流道中具有液态水的情况下工作。该液态水会引起 流动分布问题、冻结启动问题和电极浸水。若升高电池组温度，这些 问题大多数都可以避免。若电池组低于冻结温度，则会在流道中结冰， 需要在系统启动时快速使冰熔化成液态水或水蒸气，从而可将其清除 出流道以提供适当流动分布。在系统停机时，通过从通道中冲走液态 水滴并蒸发干燥MEA和扩散介质而采取动作尽可能地去除电池组中 的水。然而，通常不能从MEA和扩散介质去除期望地那样多的水，在 低温启动时尤其如此。

本领域中公知利用燃料电池组产生的废热使系统升至其 工作温度，由于燃料电池组的固有效率，这会花费较长时间。还公知 在系统启动时利用加热器加热电池组冷却流体，使得电池组的温度更 快地升高。进入系统中的该热量受冷却流体加热器的尺寸以及发生热 传递的面积限制。还公知向电池组的阴极空气流中喷射氢气以允许在 燃料电池的阴极侧中的催化物上发生氢的催化燃烧，从而提供热。然 而，出于易燃性和电池组干燥问题的考虑，可送到阴极的氢量存在限 制。

发明内容

根据本发明的教导，公开一种用于特别是在电池组冷启 动时快速提高燃料电池组的温度的系统和方法。该方法包括确定燃料 电池组是否低于第一预定温度阈值，如果是，则开始使冷却流体以正 常或较低流率流过该电池组，并在阳极的氢填充期间接合跨过该电池 组或任意类型的电负载的短路电路，以将电池组电压钳制到接近0V， 从而使该电池组短路，致使该电池组无效工作。随后，该方法确定燃 料电池组的期望加热速率，并基于该期望加热速率计算至燃料电池组 的阴极空气流。若最小电池电压低于预定最小电池电压阈值，则该方 法减小至电池组的阴极空气流，并且当电池组温度达到第二预定温度 阈值时断开所述短路电路并向电池组施加车辆负载。

结合附图，从以下描述及所附权利要求将会清楚本发明 的其它特征。

附图说明

图1是根据本发明实施方式，采用快速加热燃料电池组 的过程的燃料电池系统的框图；以及

图2是示出根据本发明实施方式用于在电池组冷启动时 加热图1中所示的燃料电池组的过程的流程图。

具体实施方式