專利名稱：燃料電池的排氣和凈化方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種在燃料電池(fuel cell)動(dòng)力系統(tǒng)中用于燃料電池堆的關(guān)閉和排氣的裝置及方法。
背景技術(shù)：
燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)將燃料和氧化劑轉(zhuǎn)換成電能。引起濃厚興趣的一種燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)類型采用質(zhì)子交換膜(此后稱為“PEM”)以催化促進(jìn)燃料(例如氫)和氧化劑(例如空氣/氧)的反應(yīng)而發(fā)電。PEM是一種固體聚合物電解質(zhì)，其在燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)通常采用的燃料電池堆的每個(gè)單個(gè)燃料電池中便利地從陽(yáng)極傳輸質(zhì)子到陰極。
在燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)的典型燃料電池組件集(assembly)(燃料電池堆)中，單個(gè)燃料電池具有含有通往流體歧管的入口的流場(chǎng)；這些歧管共同地提供了用于在燃料電池堆中反應(yīng)的各種反應(yīng)物和冷卻流體的通道以流入每個(gè)燃料電池。氣體擴(kuò)散組件集隨后提供最后的流體分配以進(jìn)一步從流場(chǎng)空間分散反應(yīng)性流體到反應(yīng)性陽(yáng)極和陰極。
協(xié)同關(guān)閉是有效操作燃料電池堆或者燃料電池堆機(jī)組的一個(gè)因素。在這點(diǎn)上，氫是供給燃料電池堆反應(yīng)性陽(yáng)極的燃料的主要成分，以及關(guān)閉時(shí)，含氫燃料的運(yùn)轉(zhuǎn)總量都存在于燃料電池堆的燃料反應(yīng)物通道中。盡管由于較高濃度氫不具有固有的可燃性，但是該堆疊體中的剩余燃料承受與空氣中氧混合的可能性，特別是如果燃料電池在一段時(shí)間周期內(nèi)不能操作時(shí)。這種氧的混合可能在燃料電池堆中以某種界限組成產(chǎn)生潛在的可燃性混合物。
兩個(gè)通常的關(guān)閉策略或模式表示了燃料電池系統(tǒng)的關(guān)閉方法的范圍“正?！标P(guān)閉模式和“快速”關(guān)閉模式?！罢！标P(guān)閉通過(guò)如下過(guò)程進(jìn)行(a)斷開負(fù)載，(b)消耗過(guò)量氫，以及(c)以最小化熱變化引起的內(nèi)應(yīng)力的方式來(lái)冷卻系統(tǒng)。對(duì)于“快速”關(guān)閉，關(guān)閉的條件例如為故障或誤差檢測(cè)，其需要以不具有用于消耗過(guò)量氫所需要的時(shí)間的方式來(lái)關(guān)閉燃料電池。當(dāng)實(shí)施“快速”關(guān)閉時(shí)，通過(guò)排出重整產(chǎn)物或氫到大氣中來(lái)處理剩余燃料。
在燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)的常規(guī)燃料電池堆中典型地具有兩個(gè)用于燃料反應(yīng)物的排氣電磁閥(solenoid valve)在產(chǎn)生燃料的燃料處理器的出口的第一閥和在該堆疊體的陽(yáng)極歧管的出口的第二閥。在正常操作期間，關(guān)閉這些排氣閥以防止氫泄漏和/或排放到大氣中。不具有燃料處理器的常規(guī)燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)典型地利用至少一個(gè)在堆疊體陽(yáng)極上的排氣閥。在“快速”關(guān)閉期間，打開每個(gè)排氣閥以將氫排放到大氣中。這種方法快速地清除了來(lái)自系統(tǒng)的勢(shì)能和熱能，并且排出燃料電池中的剩余氫。
這些排氣閥已經(jīng)傳統(tǒng)地用作常開閥，其中通過(guò)彈力復(fù)位來(lái)偏置打開該閥門。正如應(yīng)該顯而易見的是，在斷電(powered-down)狀態(tài)下，這些閥開著，因此允許流體流入和流出陽(yáng)極歧管。配置了出故障時(shí)自動(dòng)打開的閥以使得即使在系統(tǒng)動(dòng)力(通常是最顯著的“快速”關(guān)閉情況)完全損失期間，系統(tǒng)也將燃料排出可燃性排氣孔。正如應(yīng)該顯而易見的是，常開排氣閥在系統(tǒng)關(guān)閉后在連續(xù)沒有任何電能的情況下仍保持打開。例如當(dāng)關(guān)掉系統(tǒng)時(shí)。
然而，使用常開排氣閥的一個(gè)缺點(diǎn)在于，在一些排氣閥保持打開的特殊關(guān)閉情況下，一些剩余氫殘留在燃料電池歧管中。當(dāng)接下來(lái)發(fā)生長(zhǎng)的停機(jī)時(shí)間時(shí)，空氣可能流經(jīng)排氣孔以隨著時(shí)間流逝直到可燃性混合物出現(xiàn)在系統(tǒng)的某部分中。在執(zhí)行沒有凈化的“正?！标P(guān)閉后，當(dāng)發(fā)生電源故障時(shí)還可能釋放出可燃性混合物(例如，由于功率損耗在受控條件下啟動(dòng)的“正常關(guān)閉”惡化為“快速”關(guān)閉)。
使用常開排氣閥的另一缺點(diǎn)是在關(guān)閉燃料電池和功率損耗后催化劑失活隨之發(fā)生。在這點(diǎn)上，一些催化劑在空氣中失活，特別是催化劑仍然在熱量上“溫度高”時(shí)立即關(guān)閉之后。處理這方面的一個(gè)方法是使用耐空氣的催化劑；但是這種方法嚴(yán)重地妨礙了可能的催化劑的選擇。另一方法是提供凈化裝置，借此將氫排出系統(tǒng)，而該系統(tǒng)具有諸如氮的惰性氣體以在活性催化劑元件上提供氮覆蓋層。這些選擇限定了比采用非耐空氣的催化劑的方法更加昂貴的設(shè)計(jì)。
使用常開排氣閥的另外一缺點(diǎn)是，在斷電模式中，向灰塵和其它潛在有害成分提供了通往燃料處理器和/或堆疊體歧管的通路，從而污染了內(nèi)部通道以及燃料電池的表面。與沒有污染的燃料電池相比，這種污染縮短了燃料電池的壽命并且還降低了燃料電池的性能。
使用常開排氣閥的另外缺點(diǎn)來(lái)自控制器鎖定，其中用于燃料電池系統(tǒng)的控制計(jì)算機(jī)設(shè)立了最終失敗時(shí)的控制元件定位。同樣，常開排氣閥可能恰當(dāng)?shù)鼐S持在關(guān)閉位置。
使用常開排氣閥的另外一缺點(diǎn)來(lái)自所有常開閥必須給予能量才能保持關(guān)閉-排氣閥的主要操作狀態(tài)這樣一個(gè)事實(shí)。在這點(diǎn)上，這些常開排氣閥在正常的實(shí)時(shí)操作中構(gòu)成了在燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)上的寄生動(dòng)力負(fù)擔(dān)，內(nèi)在地降低了整個(gè)操作系統(tǒng)的效率。
所需要的是對(duì)燃料電池排氣和凈化的整體方法，該方法提供低成本燃料電池的協(xié)同關(guān)閉；在燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)中電源發(fā)生故障后提供對(duì)催化劑的保護(hù)；當(dāng)條件共同表明這種操作事件的需要時(shí)，提供適當(dāng)關(guān)閉燃料電池堆和/或燃料電池堆組的基礎(chǔ)；以及提供燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)操作的最優(yōu)效率。本發(fā)明致力于實(shí)現(xiàn)這種需要。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一種燃料電池，其具有與一個(gè)(或多個(gè))燃料反應(yīng)物流場(chǎng)流體連接的常閉閥，以將燃料反應(yīng)物氣體排出該一個(gè)(或多個(gè))燃料反應(yīng)物流場(chǎng)。常閉閥可操作地放置在激勵(lì)電路(energizing circuit)中，該激勵(lì)電路被配置為當(dāng)控制信號(hào)小于關(guān)閉閾值時(shí)打開常閉閥。
關(guān)于方法，本發(fā)明提供了一種燃料電池，其中當(dāng)控制信號(hào)的值小于關(guān)閉閾值時(shí)采用常閉閥將燃料反應(yīng)物從一個(gè)(或多個(gè))燃料反應(yīng)物流場(chǎng)中排出。本發(fā)明還規(guī)定在燃料電池中的燃料反應(yīng)物被排出達(dá)到安全量之后，關(guān)閉常閉閥。
在一種形式中，本發(fā)明規(guī)定在控制電路中使用常閉電磁開關(guān)(solenoidswitch)，以使得在低于關(guān)閉閾值電壓值的電壓下給螺管式繼電器電路提供動(dòng)力時(shí)，常閉閥將燃料反應(yīng)物從燃料電池中排出。在另一種形式中，本發(fā)明規(guī)定采用具有激勵(lì)電路的電磁閥，該激勵(lì)電路直接與該閥的繼電器電路連接。
本發(fā)明還規(guī)定了在螺管式繼電器電路中使用安全開關(guān)。采用控制計(jì)算機(jī)測(cè)量輸出電壓，采用該計(jì)算機(jī)的可執(zhí)行邏輯從輸出電壓測(cè)量中定義了操作狀態(tài)變量，以及當(dāng)操作狀態(tài)變量被定義為關(guān)閉值時(shí)采用安全開關(guān)使得螺管式繼電器電路接地。
本發(fā)明還規(guī)定了使用充分大小的離散電能存儲(chǔ)器(例如電容器)，來(lái)打開常閉閥直至燃料反應(yīng)物排出燃料電池。在這點(diǎn)上，本發(fā)明規(guī)定了存儲(chǔ)充足的電能以將常閉閥維持在打開位置，直至在排氣步驟中排出燃料反應(yīng)物達(dá)到滿意的水平；規(guī)定了采用存儲(chǔ)的電能打開常閉閥以排出燃料反應(yīng)物；以及規(guī)定了在已經(jīng)耗盡存儲(chǔ)的電能后關(guān)閉常閉閥。
從本發(fā)明得到的好處包括(a)由于消除了使用空氣兼容性催化劑的需要，降低了成本；(b)使得燃料電池堆排氣系統(tǒng)的功率輸出的寄生損失最小化；(c)使得排氣后內(nèi)部的燃料電池堆歧管和表面的污染最小化；以及(d)避免了關(guān)閉后陽(yáng)極中的可燃性空氣/燃料混合物。
從以下提供的詳細(xì)描述中本發(fā)明的另外適用性方面將變得顯而易見。應(yīng)當(dāng)理解的是詳細(xì)描述和具體實(shí)施例盡管示出了本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，但目的僅是用于解釋并不傾向于限制本發(fā)明的范圍。
附圖簡(jiǎn)述通過(guò)詳細(xì)的描述和附圖將更完整地理解本發(fā)明，其中

圖1示出了燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)的方塊流程圖；圖2示出了解扣(tripped)狀態(tài)(對(duì)電路中的電容器放電的閉合位置)的排氣閥控制電路，用于通過(guò)一個(gè)正常關(guān)閉控制器接口和一個(gè)能量存儲(chǔ)電容器控制兩個(gè)排氣閥；圖3示出了解扣狀態(tài)(對(duì)電路中的電容器放電的閉合位置)的排氣閥控制電路，用于通過(guò)兩個(gè)正常關(guān)閉控制器接口和一個(gè)能量存儲(chǔ)電容器控制兩個(gè)排氣閥；以及圖4示出了都為解扣狀態(tài)的(對(duì)電路中的電容器放電的閉合位置)雙排氣閥控制電路，用于通過(guò)兩個(gè)正常關(guān)閉控制器接口和兩個(gè)能量存儲(chǔ)電容器控制兩個(gè)排氣閥。
優(yōu)選實(shí)施方式詳細(xì)說(shuō)明優(yōu)選實(shí)施方式的以下描述本質(zhì)上僅是示意性的，并且不傾向于限制本發(fā)明、其應(yīng)用或用途。
實(shí)時(shí)計(jì)算機(jī)過(guò)程控制通常被實(shí)現(xiàn)為控制在此描述的燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)。在這點(diǎn)上，實(shí)時(shí)計(jì)算機(jī)處理被廣泛地定義為計(jì)算機(jī)處理方法，其中，在實(shí)際時(shí)間限制內(nèi)事件導(dǎo)致發(fā)生給定反應(yīng)，其中計(jì)算機(jī)動(dòng)作在外部條件和實(shí)際時(shí)間的背景下具體地受到外部條件和實(shí)際時(shí)間的控制。如同在過(guò)程控制領(lǐng)域的相關(guān)說(shuō)明，實(shí)時(shí)計(jì)算機(jī)控制處理與相關(guān)的過(guò)程控制邏輯判定的性能有關(guān)，并且定量的操作與與過(guò)程控制判定程序內(nèi)在地相關(guān)，該過(guò)程控制判定程序起到執(zhí)行一個(gè)過(guò)程的控制裝置的一部分(例如，收益于本發(fā)明的燃料電池)的作用，其中該過(guò)程控制判定程序以相當(dāng)高的頻率周期性地執(zhí)行，對(duì)于戰(zhàn)術(shù)控制通常具有20ms-2s之間的周期。
優(yōu)選實(shí)施方式采用至少一個(gè)常閉閥以將燃料反應(yīng)物從燃料電池堆排出。在這點(diǎn)上，常閉閥是用于自動(dòng)控制的閥，并且當(dāng)該閥的致動(dòng)器沒有電能(或者氣壓)時(shí)，該常閉閥關(guān)閉流體傳輸。還應(yīng)當(dāng)注意的是常閉開關(guān)通常是裝有彈簧的開關(guān)，該開關(guān)設(shè)置為(“電關(guān)閉”)當(dāng)該(裝有彈簧的)開關(guān)的啟動(dòng)繼電器電路沒有電能(或者作用于彈簧的任何相反力)時(shí)使得電流通過(guò)。
在一個(gè)實(shí)施方式中，當(dāng)電路的電磁繼電器處于停電或關(guān)閉條件時(shí)，具有電容器的電子電路從電容器給常閉排氣閥提供能量，從而與繼電器機(jī)械連接的(第一)電開關(guān)電“關(guān)閉”一段時(shí)間，以通過(guò)該閥的致動(dòng)器使得電容器放電。電容器的大小設(shè)置為使得常閉排氣閥保持打開足夠的時(shí)間周期以在該系統(tǒng)中將燃料電池燃料反應(yīng)物排出達(dá)到滿意的水平。
在優(yōu)選實(shí)施方式中的正常(非快速關(guān)閉模式)操作期間，實(shí)時(shí)計(jì)算機(jī)控制器給電磁繼電器提供能量到一位置，以使得計(jì)算機(jī)控制器在實(shí)時(shí)操作中通過(guò)螺線管的第二電開關(guān)控制排氣閥。應(yīng)該注意的是該實(shí)施方式中具有兩個(gè)有源電開關(guān)的沒有通電的電磁繼電器提供了閉合電路，該閉合電路使得儲(chǔ)能電容器放電，正如具有動(dòng)力的電磁繼電器提供了在控制計(jì)算機(jī)和排氣閥之間通過(guò)第二電開關(guān)的第一閉合接觸，以及提供了通過(guò)第一電開關(guān)使得電容器充電的第二閉合接觸。通過(guò)第一電開關(guān)的該電容器的充電電路還通過(guò)二極管進(jìn)行穩(wěn)定。
系統(tǒng)中閾值以下的功率損耗釋放電磁繼電器為如下的位置，其中第一電開關(guān)相稱地設(shè)置為通過(guò)出故障時(shí)自動(dòng)關(guān)閉的閥的致動(dòng)器使得電容器放電。該電容器在特定的持續(xù)時(shí)間內(nèi)放出存儲(chǔ)的能量，直到其已經(jīng)基本上完全放出其存儲(chǔ)的能量。在該能量放電過(guò)程中，排氣閥被提供能量，從而保持為打開位置直到來(lái)自螺線管的電磁力被該閥的彈力所克服，該彈力導(dǎo)致該閥關(guān)閉。由于不再有充足的動(dòng)力保持該閥處于與其閉合彈力相對(duì)的打開位置，因此排氣閥默認(rèn)處于流體關(guān)閉配置。這個(gè)動(dòng)作重新密封了該燃料電池堆，以防止在已經(jīng)將剩余燃料排出或清除出該燃料電池后的關(guān)閉狀態(tài)下該燃料電池的陽(yáng)極側(cè)繼續(xù)暴露于大氣中。
本發(fā)明可通過(guò)參照通常的燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)來(lái)理解。因此，在進(jìn)一步描述本發(fā)明之前，提供了其中提供本發(fā)明操作的動(dòng)力系統(tǒng)的概述。在該系統(tǒng)中，在燃料處理器中處理碳?xì)淙剂?，例如通過(guò)重整和部分氧化處理以產(chǎn)生重整氣體，該重整氣體具有相對(duì)較高的基于體積或或摩爾的氫含量。因此參照具有相對(duì)較高的氫含量的含氫氣體。下文由含H2重整產(chǎn)物作為燃料的燃料電池的背景下來(lái)描述本發(fā)明，而與制備這種重整產(chǎn)物的方法無(wú)關(guān)。應(yīng)當(dāng)理解在此表示的原理可應(yīng)用于被從任何源獲得的H2作為燃料的燃料電池，該源包括可重整的碳?xì)浠衔锖秃瑲淙剂?，例如甲醇、乙醇、汽油、堿(alkaline)或其它脂肪族或芳香族碳?xì)浠衔铮蛘邇?chǔ)氫基系統(tǒng)。
如圖1所示，燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)100包括用于催化反應(yīng)可重整的碳?xì)淙剂狭?14和來(lái)自水流116的以流體形式的水的燃料處理器112。在一些燃料處理器中，空氣還用于部分氧化/流體重整反應(yīng)的組合。在這種情況下，燃料處理器112還接收空氣流118。燃料處理器112含有一個(gè)或多個(gè)反應(yīng)器，在該反應(yīng)器中流114中的可重整的碳?xì)淙剂显诹?16中流和流118中空氣(可選地，來(lái)自儲(chǔ)氧罐118的氧氣)的存在下進(jìn)行分解以產(chǎn)生含氫重整產(chǎn)物，并從燃料處理器112中以重整產(chǎn)物流120排出。燃料處理器112典型地還包括一個(gè)或多個(gè)下游反應(yīng)器，例如水氣轉(zhuǎn)換(WGS)和/或優(yōu)選的氧化劑(PrOx)反應(yīng)器，這些反應(yīng)器用于減少重整產(chǎn)物流120中的一氧化磁含量到可接受的水平，例如，低于20ppm。含H2重整產(chǎn)物120或陽(yáng)極原料流流入燃料電池堆系統(tǒng)122的陽(yáng)極側(cè)流場(chǎng)。同時(shí)，以流124中空氣的形式的陰極原料流流入燃料電池堆系統(tǒng)122的陰極側(cè)流場(chǎng)。來(lái)自重整產(chǎn)物流120中的氫和來(lái)自氧化劑流124中的氧在燃料電池堆系統(tǒng)122中反應(yīng)以產(chǎn)生電。
來(lái)自燃料電池堆系統(tǒng)122的陽(yáng)極側(cè)的陽(yáng)極廢氣(或流出物)126含有一些未反應(yīng)的氫。來(lái)自燃料電池堆系統(tǒng)122的陰極側(cè)的陰極廢氣(或流出物)128含有一些末反應(yīng)的氧。這些未反應(yīng)的氣體代表了在燃燒室130中重新獲得的以熱能形式的附加能量，并用于動(dòng)力系統(tǒng)100中的各種熱需要。具體地，根據(jù)動(dòng)力系統(tǒng)100的操作條件，碳?xì)淙剂?32和/或陽(yáng)極流出物126與從流134中空氣或從陽(yáng)極流出物流128提供給燃燒室130的氧在燃燒室130中進(jìn)行催化地燃燒、或熱燃燒。燃燒室130向環(huán)境釋放出廢氣流154，以及由此產(chǎn)生的熱根據(jù)需要引導(dǎo)到燃料處理器112。
排氣閥172可操作地放置在氫源112和燃料電池122之間的陽(yáng)極原料流120中。同樣地，排氣閥174可操作地放置在陽(yáng)極廢氣流126中。排氣閥172、174提供常閉閥，用于當(dāng)傳感器170測(cè)量的診斷參數(shù)在可接受的工作范圍之外從而表明應(yīng)當(dāng)啟動(dòng)關(guān)閉過(guò)程時(shí)，將燃料反應(yīng)物從燃料電池堆122排出到大氣中。實(shí)時(shí)計(jì)算機(jī)164的作用發(fā)出控制信號(hào)以控制排氣閥172、174，以響應(yīng)于來(lái)自傳感器170的信號(hào)。通過(guò)實(shí)時(shí)計(jì)算機(jī)164相對(duì)于傳感器170的測(cè)量操縱排氣閥172、174從而部分地控制供應(yīng)到燃料電池堆系統(tǒng)122的氫，以使得含氫氣體流入燃料電池系統(tǒng)122。
傳感器170在圖1中示出為用于測(cè)量與燃料電池堆122有關(guān)的或燃料電池堆122內(nèi)部的診斷參數(shù)。代表性的電池堆診斷參數(shù)包括電池、電池組或燃料電池堆的電壓；穿過(guò)該電池堆入口(即，陽(yáng)極和陰極入口)的壓力差；燃料電池堆中的相對(duì)濕度；或燃料電池堆的操作溫度。該診斷參數(shù)還可以與在燃料電池堆122的外部以外的燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)100的其它部件有關(guān)，例如燃料處理器112；燃料、供給原料流114、116、118的空氣或水；或燃燒室130。代表性的系統(tǒng)診斷參數(shù)包括提供空氣原料流118的空氣壓縮器的操作參數(shù)，例如壓縮機(jī)速度或排出空氣的溫度。診斷參數(shù)可以由圖1所示的傳感器170直接確定(即測(cè)量)，例如測(cè)量的電池電壓。作為選擇，診斷參數(shù)可以間接(基于分析模型或經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行計(jì)算)確定，例如根據(jù)燃料電池堆上的壓力、溫度和負(fù)載來(lái)計(jì)算相對(duì)濕度。因此，本領(lǐng)域技術(shù)人員將認(rèn)識(shí)到本發(fā)明具有診斷參數(shù)的廣泛多樣性的應(yīng)用，該診斷參數(shù)用于表明應(yīng)當(dāng)啟動(dòng)關(guān)閉過(guò)程。
在實(shí)時(shí)計(jì)算機(jī)164中提供了控制器邏輯166，用于由計(jì)算機(jī)164來(lái)實(shí)時(shí)執(zhí)行。在這點(diǎn)上，控制器邏輯166還表示為在實(shí)時(shí)計(jì)算機(jī)164中的“軟件”和/或“程序”和/或“可執(zhí)行程序”，并作為控制數(shù)據(jù)和/或公式信息和/或程序執(zhí)行指令的數(shù)據(jù)模式。在優(yōu)選實(shí)施方式中控制器邏輯166是存在于計(jì)算機(jī)164的物理存儲(chǔ)器(即，沒有限制，“RAM”“ROM”或計(jì)算機(jī)磁盤)中的機(jī)器代碼。控制器邏輯166優(yōu)選來(lái)自被編譯產(chǎn)生機(jī)器代碼的源語(yǔ)言程序。物理存儲(chǔ)器與計(jì)算機(jī)164的中央處理單元(CPU)進(jìn)行電子數(shù)據(jù)通信，該計(jì)算機(jī)164從物理存儲(chǔ)器中讀出數(shù)據(jù)；將讀出的數(shù)據(jù)計(jì)算地修改為最終的數(shù)據(jù)；并將該最終數(shù)據(jù)寫入物理存儲(chǔ)器。計(jì)算機(jī)164還從傳感器170中讀出控制信號(hào)，并根據(jù)控制器邏輯166的供給，使得控制信號(hào)影響閥172和174。在一個(gè)實(shí)施方式中，計(jì)算機(jī)164和用于控制器邏輯166的可執(zhí)行代碼被提供作為ASIC(專用集成電路)。
傳感器170用作反饋傳感器以產(chǎn)生用于啟動(dòng)關(guān)閉燃料電池堆122的控制信號(hào)。連同其它反饋回路和控制判定(未示出)一起，由計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)的通過(guò)傳感器170的測(cè)量對(duì)燃料電池操作參數(shù)的確定用于排氣閥172、174的計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)的控制(在控制器邏輯66中實(shí)現(xiàn))中。此外，用于啟動(dòng)關(guān)閉的控制信號(hào)可以基于一個(gè)或多個(gè)診斷參數(shù)的評(píng)估。
圖2表示了在解扣狀態(tài)或非通電(S2)位置的單個(gè)排氣閥控制電路300，以通過(guò)一個(gè)正常關(guān)閉控制器接口和一個(gè)儲(chǔ)能電容器330來(lái)控制兩個(gè)排氣閥?？刂齐娐?00包括控制器接口302、304和一對(duì)由繼電器306操作的開關(guān)308?？刂破麟娐?00還包括具有電阻器310、二極管312和電容器330的充電電路。在圖3中，排氣閥172和174分別通過(guò)電路300中的電阻器320和322來(lái)表示。當(dāng)繼電器306保持開關(guān)308為通電(S1)位置(注意在圖3中開關(guān)308被示出為在S2位置給電容器330放電)時(shí)，通過(guò)充電電阻310和二極管312對(duì)電容器330充電，以及當(dāng)繼電器306釋放開關(guān)308為S2位置時(shí)，通過(guò)二極管314給電容器330放電從而打開常閉閥320和322。
控制器304代表控制計(jì)算機(jī)164、在控制器邏輯166中的快速關(guān)閉邏輯和通過(guò)計(jì)算機(jī)164控制以使得繼電器306的繼電器電路接地的安全開關(guān)?？刂朴?jì)算機(jī)164通過(guò)傳感器170測(cè)量輸出電壓，通過(guò)控制器邏輯166中的可執(zhí)行邏輯從測(cè)量的電壓中定義可操作狀態(tài)變量，以及當(dāng)可操作狀態(tài)變量被定義為關(guān)閉值時(shí)，使得繼電器306的電磁繼電器電路電接地。
控制器302還代表控制器計(jì)算機(jī)164、在控制器邏輯166中的可操作和正常的關(guān)閉邏輯以及通過(guò)計(jì)算機(jī)164控制的晶體管314，以當(dāng)開關(guān)308處于S1位置時(shí)在實(shí)時(shí)操作中通過(guò)二極管316調(diào)整閥172和174的位置。注意二極管316通過(guò)電磁開關(guān)308的第二電開關(guān)傳導(dǎo)電到電阻器320和322。實(shí)質(zhì)上，電路300有效地提供了三個(gè)單獨(dú)的條件操作內(nèi)部電子電路，其中第一電路在螺線管的非通電位置是電激活的，以及其它兩個(gè)電路在該螺線管的補(bǔ)償通電位置下也是電激活的。在這點(diǎn)上，注意在S2位置“關(guān)閉”的和非通電的電磁開關(guān)308提供了第一電閉合電路，以使得能量存儲(chǔ)電容器330能夠放電；以及在S1位置中“斷開的”和通電的電磁開關(guān)308提供了(a)在控制計(jì)算機(jī)164和排氣閥172和174之間經(jīng)由電阻器320和322的第二電閉合電路；以及(b)在電阻器310、二極管312和電容器330之間用于給電容器330充電的第三電閉合電路。
簡(jiǎn)要參照?qǐng)D1，在計(jì)算機(jī)164和每個(gè)排氣閥172、174之間描述了控制線。這些控制線分別簡(jiǎn)要地參考圖2中的獨(dú)立控制器輸出302、304，也參考在圖3和4中示出用于每個(gè)閥的在正常關(guān)閉控制器和快速關(guān)閉控制器之間的劃分。注意在圖1中，功率損耗繼電器306和雙擲開關(guān)308(示于圖2-4)在控制器164內(nèi)部，因此沒有分別示出。
回來(lái)重新參考圖2，當(dāng)電磁開關(guān)308在S1位置時(shí)，通過(guò)電路300中的充電電阻310和二極管312對(duì)電容器330充電。在開關(guān)308的S1位置通過(guò)二極管312阻止電容器330放電。電路300的電壓降是正電壓源極340和負(fù)電壓漏極342之間的差。
簡(jiǎn)化的排氣系統(tǒng)實(shí)施方式是考慮到?jīng)]有控制器302和304、二極管316和電阻器322的電路300，開關(guān)308在(在S1位置)充電電阻器310、二極管312和電容器330之間；以及在(在S2位置)在電容器330、二極管314和電阻器320之間僅提供一個(gè)電接觸。在這個(gè)實(shí)施方式中，在對(duì)傳感器170的測(cè)量反應(yīng)時(shí)，沒有提供排氣閥172的實(shí)時(shí)計(jì)算機(jī)控制和安全開關(guān)關(guān)閉；然而，這種實(shí)施方式確實(shí)提供了與燃料電池堆122的一個(gè)(或多個(gè))燃料反應(yīng)物流場(chǎng)進(jìn)行流體連接的常閉閥172，從而將反應(yīng)物氣體從該一個(gè)(或多個(gè))燃料反應(yīng)物流場(chǎng)排出，在該反應(yīng)物流場(chǎng)中常閉閥172放置在通電電路中，該通電電路配置為當(dāng)輸出電壓的值小于關(guān)閉閾值電壓值時(shí)打開常閉閥172，該關(guān)閉閾值電壓值是保持繼電器306的彈力以將開關(guān)308保持在S1位置所必須的。
現(xiàn)在轉(zhuǎn)到圖3，可替換的實(shí)施方式示出了與控制電路300相似的排氣閥控制電路400?？刂齐娐?00處于解扣狀態(tài)(使得電路400的電容器430放電的S2位置)，以通過(guò)兩個(gè)正常關(guān)閉的控制器接口302和402以及一個(gè)能量存儲(chǔ)電容器430控制排氣閥172和174。該電路源于電路300，并很多元件重復(fù)圖2并相應(yīng)地標(biāo)記。然而，控制器402和二極管410與控制器302和二極管316并聯(lián)配置以使得能夠分開、實(shí)時(shí)和獨(dú)立地操縱由電阻器302、322代表的閥172、174。注意電磁開關(guān)404在繼電器306上具有三個(gè)電開關(guān)，以代替電磁開關(guān)308的兩個(gè)電開關(guān)。
參照?qǐng)D4，可替換的實(shí)施方式示出了與電路300和400相似的雙排氣閥控制電路500。控制電路500示出了在解扣狀態(tài)下(使得它們電路的電容器放電的S2位置)的每個(gè)開關(guān)308和開關(guān)508，用于通過(guò)兩個(gè)正常關(guān)閉控制器接口302和402以及兩個(gè)能量存儲(chǔ)電容器530和532控制排氣閥172和174。控制器304代表控制計(jì)算機(jī)164、在控制器邏輯166中的快速關(guān)閉邏輯和通過(guò)計(jì)算機(jī)164控制以使得繼電器306的繼電器電路接地的安全開關(guān)?？刂破?02代表控制計(jì)算機(jī)164、在控制器邏輯166中的快速關(guān)閉邏輯和通過(guò)計(jì)算機(jī)164控制以使得繼電器504的繼電器電路接地的安全開關(guān)。圖4的雙電路每一個(gè)被理解為基本上是電路300的復(fù)制品，除了電阻器320、322代表的閥172、174的完全獨(dú)立控制。這種設(shè)置規(guī)定了與每個(gè)閥分別相應(yīng)的所有電路元件的定制和獨(dú)立尺寸，從而，例如電阻器310和電阻器506具有獨(dú)立的大小，電容器530和電容器532以及它們可比較的充電電阻器310和506以及它們可比較的二極管312和512都具有獨(dú)立的大小，以及放電二極管520和522也具有獨(dú)立的大小，從而使得完全獨(dú)立地操作閥174和172?？刂破?02、402、304和302中的可執(zhí)行邏輯166的完全獨(dú)立的可執(zhí)行邏輯段也能夠在電路500中。
應(yīng)當(dāng)理解的是，在可替換實(shí)施方式中，在對(duì)燃料電池系統(tǒng)100提供控制和關(guān)閉時(shí)，也通過(guò)計(jì)算機(jī)164來(lái)調(diào)整其它控制元件(未示出)。在一個(gè)實(shí)施方式中，例如，在正常關(guān)閉中氮凈化(未示出)作用為強(qiáng)有力地替換燃料電池堆122中的剩余氫。在另一實(shí)施方式中，在燃料電池堆122和閥172之間的流體連接之前，關(guān)閉燃料處理器112之間的隔斷閥，從而在關(guān)閉期間燃料處理器112與燃料電池堆122隔離。
本發(fā)明的好處是提供燃料電池的關(guān)閉；在燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)的電源發(fā)生故障后提供對(duì)催化劑的保護(hù)；當(dāng)條件共同地表明這種操作事件的需要時(shí)，提供適當(dāng)關(guān)閉燃料電池堆和/或燃料電池堆組的基礎(chǔ)；以及提供燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)操作的最優(yōu)效率，因?yàn)樽钚』伺艢庀到y(tǒng)中的寄生電力的使用。在排氣后的排氣閥關(guān)閉后，還防止了剩余氫燃料和空氣的關(guān)閉后混合以及燃料電池堆的內(nèi)部通道的污染。最小化燃料電池部件故障的“多米諾效應(yīng)”也是關(guān)閉時(shí)恰當(dāng)排氣管理的附加好處。在一些實(shí)施方式中，電容器設(shè)計(jì)為在燃料電池系統(tǒng)維持充足的氫以使得能夠快速重新啟動(dòng)。本發(fā)明還使得空氣敏感催化劑的設(shè)計(jì)選擇能夠使用在燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)的燃料處理器中。
本發(fā)明的描述本身僅是示意性的，因此不脫離本發(fā)明要點(diǎn)的各種變化均包含在本發(fā)明的范圍內(nèi)。不能認(rèn)為這些變化超出了本發(fā)明的精神和范圍。
權(quán)利要求
1.一種燃料電池系統(tǒng)，包括具有陽(yáng)極入口和陽(yáng)極出口的燃料電池；與所述陽(yáng)極入口流體連接的反應(yīng)物燃料源；放置在所述反應(yīng)物燃料源和所述陽(yáng)極入口之間的常閉閥，響應(yīng)于控制信號(hào)可操作來(lái)選擇性地將反應(yīng)物燃料從所述燃料電池排出；以及與所述常閉閥通信的控制器，該控制器包括產(chǎn)生所述控制信號(hào)的關(guān)閉控制電路，當(dāng)所述控制信號(hào)小于關(guān)閉閾值時(shí)，該關(guān)閉控制電路選擇性地打開所述常閉閥。
2.權(quán)利要求1的燃料電池，還包括耦合到所述常閉閥以定位所述常閉閥的電磁開關(guān)，所述電磁開關(guān)可定位在第一位置和第二位置之間，當(dāng)所述控制信號(hào)大于或等于所述關(guān)閉閾值時(shí)該第一位置用于將所述常閉閥定位在關(guān)閉位置；當(dāng)所述控制信號(hào)電路小于所述關(guān)閉閾值時(shí)將該第二位置所述常閉閥定位在打開位置，以將所述反應(yīng)物燃料排出所述燃料電池。
3.權(quán)利要求1的燃料電池，還包括與所述控制器通信的所述繼電器電路中的開關(guān)，以及用于為所述安全開關(guān)定義可操作狀態(tài)變量的所述控制器中的可執(zhí)行邏輯，其中當(dāng)所述可執(zhí)行邏輯定義了所述操作狀態(tài)變量的關(guān)閉值時(shí)，所述開關(guān)使得所述繼電器電路電接地以電閉合所述關(guān)閉控制電路，從而打開所述常閉閥，從而所述常閉閥將所述反應(yīng)物燃料排出所述燃料電池。
4.權(quán)利要求1的燃料電池，其中，所述關(guān)閉控制電路還包括離散電能存儲(chǔ)器，它充分大以便打開常閉閥直至將相當(dāng)大體積的所述反應(yīng)物燃料排出所述燃料電池。
5.權(quán)利要求4的燃料電池，其中，所述離散電能存儲(chǔ)器包括電容器。
6.權(quán)利要求1的燃料電池，其中，所述常閉閥是電磁閥，響應(yīng)于所述控制信號(hào)，所述電磁閥可定位在關(guān)閉位置和打開位置之間。
7.權(quán)利要求6的燃料電池，還包括在與所述控制器計(jì)算機(jī)通信的所述電磁閥的繼電器電路中的開關(guān)，在所述控制器中的可執(zhí)行邏輯，用于為所述開關(guān)定義可操作狀態(tài)變量，其中當(dāng)所述可執(zhí)行邏輯為所述可操作狀態(tài)變量定義了關(guān)閉值時(shí)，所述開關(guān)使得所述繼電器電路電接地，從而打開所述電磁閥。
8.權(quán)利要求6的燃料電池，其中，所述關(guān)閉控制電路還包括足以打開所述電磁閥直至將所述反應(yīng)物燃料排出所述燃料電池的離散電能存儲(chǔ)器。
9.權(quán)利要求8的燃料電池，其中，所述離散電能存儲(chǔ)器包括電容器。
10.一種用于給燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)中的燃料電池堆排氣的方法，包括提供放置在燃料源和燃料電池堆入口之間的常閉排氣閥；確定燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)的診斷參數(shù)；當(dāng)所述診斷參數(shù)不在可接受的工作范圍內(nèi)時(shí)，產(chǎn)生關(guān)閉控制信號(hào)；以及響應(yīng)于所述關(guān)閉控制信號(hào)，通過(guò)打開與燃料電池堆流體連接的常閉閥將反應(yīng)物燃料排出燃料電池堆。
11.權(quán)利要求10的方法，還包括在將相當(dāng)大體積的所述反應(yīng)物燃料排出所述燃料電池后關(guān)閉所述常閉閥。
12.權(quán)利要求10的方法，其中，所述排氣還包括響應(yīng)于發(fā)送控制信號(hào)給螺線管通電以打開所述常閉閥，此后斷開對(duì)所述螺線管的通電以允許所述常閉閥關(guān)閉。
13.權(quán)利要求12的方法，還包括存儲(chǔ)充足的電能以將所述常閉閥維持在打開位置直到相當(dāng)大體積的所述反應(yīng)物燃料排出所述燃料電池，以及通過(guò)所述充足的電能操作所述螺線管。
14.權(quán)利要求13的方法，其中，所述存儲(chǔ)包括將所述充足的電能存儲(chǔ)在電能存儲(chǔ)元件中。
15.權(quán)利要求10的方法，還包括通過(guò)控制器確定所述診斷參數(shù)，通過(guò)所述控制器中的可執(zhí)行邏輯從所述診斷參數(shù)中定義關(guān)閉控制信號(hào)，以及當(dāng)所述診斷參數(shù)在所述可接受的工作范圍之外時(shí)，將所述關(guān)閉控制信號(hào)從所述控制器傳送至所述常閉閥。
16.權(quán)利要求15的方法，其中，所述排氣還包括響應(yīng)于發(fā)送控制信號(hào)給螺線管通電以打開所述常閉閥，此后給所述螺線管斷電以允許所述常閉閥關(guān)閉。
17.權(quán)利要求16的方法，還包括存儲(chǔ)充足的電能以將所述常閉閥維持在打開位置直到相當(dāng)大體積的所述反應(yīng)物燃料排出所述燃料電池，以及通過(guò)所述充足的電能操作所述螺線管。
18.權(quán)利要求17的方法，其中，所述存儲(chǔ)包括將所述充足的電能存儲(chǔ)在電能存儲(chǔ)元件中。
全文摘要
當(dāng)診斷參數(shù)在容許的工作范圍之外時(shí)，采用出故障時(shí)自動(dòng)關(guān)閉的閥利用存儲(chǔ)的能量(例如，來(lái)自電容器)排出和清除燃料電池中的氫。該閥在耗盡存儲(chǔ)的能量之后關(guān)閉。電磁開關(guān)(或電磁閥)的繼電器電路中的安全開關(guān)仍然通過(guò)計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)的關(guān)閉而接地。本發(fā)明的好處包括使用空氣可容性催化劑、使得功率輸出的寄生損失最小化、使得排氣后燃料電池內(nèi)表面的污染最小化、使得形成爆炸性混合物的危險(xiǎn)最小化以及能夠有效地操作。
文檔編號(hào)H01M8/04GK1833332SQ200480022758
公開日2006年9月13日 申請(qǐng)日期2004年7月28日 優(yōu)先權(quán)日2003年8月8日
發(fā)明者B·J·克林格爾曼, K·馬拉瓦拉普, B·蒂普頓, R·J·羅德斯, R·查爾范特 申請(qǐng)人:通用汽車公司